смотреть на рефераты похожие на "Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ"

АННОТАЦИЯ

В дипломной работе проанализированы возобновляемые источники энергии
(ВИЭ), получены графики изменения электрической нагрузки путем экспертной оценки. Обоснован вариант энергоснабжения сельской усадьбы на основе ВИЭ, установлены наиболее экономичные соотношения между мощностями энергоустановок (ветроустановка - 3,0 кВт, солнечная установка - 0,8 кВт, аккумуляторная батарея - 3150 А(час.). Определены оптимальные параметры ориентации фиксированного солнечного коллектора для Зерноградского района ( азимутный угол равен 17,5 оС, угол наклона к горизонту равен 41,6 оС ), обоснованы параметры ветроэнергетической установки и выбраны электрические машины и аппаратура управления и защиты.

Разработаны мероприятия по безопасной эксплуатации и монтажу энергоустановок.

Выполнен расчет экономической эффективности предлагаемого варианта энергоснабжения сельской усадьбы и определены условия эффективного применения.

Библ. 47 наим. 5 рис.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6
1.АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 8
1.1.Солнечное излучение 8
1.2.Энергия ветра 14
2.ВЫБОР ВАРИАНТА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ 19
2.1.Графики потребления электроэнергии 19
2.2.Выбор основного и вспомогательного источника энергии 24
2.3. Определение мощности энергетических установок........................................26
3.ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ
............................................................................
...............................31
3.1.Выбор типа ветроэнергетической установки 31
3.2.Обоснование и расчет ветроколеса 32
4.КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ 37
5.РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 40
5.1.Выбор электрических машин 40
5.2.Разработка принципиальной схемы электроснабжения 45
5.3.Выбор аппаратуры управления и защиты 45
6.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ВИЭ 49

6.1.Опасности, связанные с монтажом и эксплуатацией энергоустановок на ВИЭ 49
6.2.Монтаж энергоустановок 49
6.3.Эксплуатация энергоустановок 52
7.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
ЛИТЕРАТУРА 63

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена для обеспечения своей жизнедеятельности, удовлетворения различных потребностей человек создавал, совершенствовал и развивал различные виды производства. Изобретение топливных двигателей, а затем и электрических машин, явилось в свое время значительным событием в развитии энергетики. Оно определило и современное состояние электроэнергетики, в основе которой лежат тепловые электростанции, работающие на различном ископаемом топливе.

Но в последнее время, когда казалось, что перспективы традиционной энергетики на ископаемом топливе достаточно устойчивы, в нарастающем темпе стали проявляться ее негативные стороны - загрязнение окружающей среды в сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов угля, нефти, газа.
Так, по данным ЮНЕСКО /18/, при сохранении существующих тенденций потребления мировых запасов ископаемого топлива хватит на 40 - 100 лет.

Естественно, что человечество попыталось среагировать на появляющиеся проблемы и было выдвинуто ряд решений по их преодолению. В частности, были найдены возможности использования термоядерных реакций, которые могут обеспечить человечество энергией на многие тысячелетия. Однако, экологические проблемы при этом не снимаются, а наоборот, еще более обостряются из-за необходимости хранения радиоактивных отходов и возможности аварий атомных электростанций. Таким образом, можно полагать, что освоение атомной энергии не устраняет проблем энергообеспечения.

В настоящее время во многих странах Мира (в том числе развитых и обладающих атомной энергией) все большее внимание уделяется возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), при этом исследуются возможности использования энергии Солнца, ветра, рек, приливов биотоплива и др. ВИЭ находятся в природе в естественном состоянии, поэтому не создают экологических проблем, и в силу своей возобновляемости являются неисчерпаемыми. Однако, применение
ВИЭ для энергоснабжения различных объектов в настоящее время тоже в некоторой степени является проблематичным.

Так, для некоторых ВИЭ характерно непостоянство мощности во времени.
Причем график изменения мощности ВИЭ может не совпадать с графиком потребности в энергии (проблема несовпадения). Кроме того, в настоящее время капитальные затраты на сооружение энергоустановок на основе ВИЭ превышают капитальные затраты на энергоустановки на ископаемом топливе
(проблема стоимости). Существуют и еще менее значительные проблемы, связанные в основном с конструкцией энергоустановок на ВИЭ.

Однако, все эти проблемы не являются принципиально неустранимыми, а порождены, на наш взгляд, недостаточной разработкой вопросов использования
ВИЭ. Разнообразие ВИЭ, современные достижения науки и техники в области электротехники (включая аккумулирование и повышение к.п.д. электроприемников), а также непрерывный рост стоимости традиционной энергии на фоне снижения стоимости энергоустановок на ВИЭ /18,20,39/ дают основания надеяться на успешное преодоление основных проблем их использования.

Учитывая высокую рассредоточенность и близость ВИЭ к потребителям, а также необходимость аккумулирования энергии, особенно привлекательным становится энергообеспечение на их основе небольших объектов.

Исходя из изложенного, целью настоящей работы является разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ типичной фермерской усадьбы.

1. АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

1.1. Солнечное излучение

Одним из перспективных ВИЭ является солнечное излучение. Так, полная средняя мощность солнечного излучения на Землю составляет 1,2(1017 Вт, т.е. на одного человека приходится около 30 Мвт /18/.

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом потерь в атмосфере), зависит также и от состояния атмосферы (наличия облаков, тумана, пыли и т. п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то суточные и годовые графики поступления солнечной энергии имеют сложный характер. Графики их изменения при этом можно представить двумя величинами:

- детерминированной, функционально связанной с временем суток, года и широтой местности;

- случайной, зависящей от состояния атмосферы. Математическое выражение мощности при этом имеет вид:

, (1.1.1.) где: Sг - плотность мощности солнечного излучения, достигающего горизонтальной поверхности Земли Вт/м2;

Sг(t,T,f) - функция плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность от времени суток , времени года , широты местности ;

S(x) - потери мощности солнечного излучения в атмосфере, Вт;

F - горизонтальная проекция поверхности Земли, над которой измеряется солнечное излучение, м2

Sкг= Sг(t,T,f) называется в соответствии со своей сущностью космическим солнечным излучением / 18 /.

Введем понятие коэффициента прозрачности:

,

(1.1.2.)

С учетом (1.1.1.), получаем:

(1.1.3.) где: - плотность потерь мощности солнечного излучения в атмосфере, Вт/м2

Теоретически коэффициент прозрачности может изменятся от 1 (потери в атмосфере равны нулю) до 0 (солнечное излучение полностью теряется в атмосфере). Практически kпр находится в пределах 0-0,8 .Это обусловлено тем, что даже в совершенно ясную погоду происходит поглощение и отражение солнечного излучения молекулами воздуха.

Введение коэффициента прозрачности позволяет записать
(1.1.1) в следующем виде:

, (1.1.4.)

Функция космического солнечного излучения в силу своей строгой детерменированности хорошо изучена и затабулирована /37/. На рис. 1.1.1 приведен график функции Sг(T) - зависимость плотности мощности космического солнечного излучения от времени года для широты Ростовской области.

Здесь же показан график суточной энергии космического солнечного излучения, построенный по данным /18/.

Отметим, что мощность солнечного излучения, падающего на единичную площадку сориентированную каким-либо образом, зависит от ориентации этой площадки. Для ориентации единичной площадки введем следующие параметры
(рис. 1.2): h - угол высоты Солнца над горизонтом;

? - угол наклона площадки над горизонтом;

? - азимутальный угол, т.е. угол отклонения проекции нормали к площадке от направления на солнечный полдень.

Согласно рис.1.1.2. наибольшая плотность мощности космического солнечного излучения будет при совпадении нормали к площадке и направления на Солнце. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно изменяется в течение года и суток, то для получения максимально возможной плотности мощности солнечного излучения углы b и g должны меняться соответствующим образом, т.е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем.

Однако, как показали многочисленные работы /18,24,27 /, при этом сильно увеличивается стоимость солнечной установки, превышая стоимость прибавки мощности от слежения. В этой связи, для маломощных солнечных установок наиболее эффективными являются фиксированные солнечные приемники
(коллекторы) /18,27/.

Следует отметить, что ориентация фиксированного солнечного коллектора не очевидна. Это объясняется следующими причинами :

- плотность мощности солнечного излучения зависит от прозрачности атмосферы (см.(1.1.4.)) ;

- график потребления мощности может быть сдвинут в течении суток.

На рис.1.1.3. приведен пример плотности мощности солнечного излучения, реально падающего на солнечный коллектор. Здесь предполагается , что в утренние часы нет облачности , а в послеобеденные часы появляется облачность. Если такие условия являются статистически устойчивыми, то очевидно , что целесообразно ориентировать солнечный коллектор не строго на юг, а на юго-восток, причем более точное его положение должно определяться специальными оптимизационными расчетами .

Таким образом, для ориентации солнечных коллекторов необходимы статистические данные о прозрачности атмосферы или о реальных суточных графиках поступающих через атмосферу потоков солнечной энергии.

За солнечным излучением следят метеорологические станции в рамках государственных программ метеорологии, поэтому имеется достаточно статистических данных о графиках поступления солнечной энергии .

Проанализируем, как можно использовать эти статистические данные для создания солнечных энергоустановок.

Как уже отмечалось, для солнечных энергоустановок малой мощности наиболее эффективным является фиксированный солнечный коллектор, причем его ориентация определяется статистическим графиком солнечного излучения.

Солнечное излучение зависит от времени суток и года, и прозрачности атмосферы, поэтому для ориентации солнечного коллектора необходимо иметь соответствующие среднестатистические данные. В таблице 1.1.1. приведены данные о статистическом распределении плотности солнечного излучения, которые могут быть использованы для определения положения коллектора.

По данным таблицы 1.1.1. определяется сумма получаемой солнечной энергии за любой период года.

Таким образом проведенный анализ показал, что солнечное излучение обладает большой энергией и существует достаточно статистических данных и математический аппарат для проектирования солнечных энергоустановок.

Таблица 1.1.1.

Удельная мощность солнечного излучения на горизонтальную поверхность

|Часы |Мощность солнечного излучения, Вт/м2 |
|суток | |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|5 |0 |15,5 |38,8 |0 |
|6 |0 |50,4 |124,1 |11,6 |
|7 |3,9 |112,4 |228,7 |46,5 |
|8 |16,9 |190,0 |337,3 |100,8 |
|9 |31,0 |263,6 |422,6 |155,1 |
|10 |42,6 |314,0 |492,3 |193,8 |
|11 |54,3 |337,3 |500,1 |221,0 |
|12 |58,2 |325,6 |507,8 |217,1 |
|13 |46,5 |279,1 |461,3 |182,2 |
|14 |31,0 |232,6 |383,8 |155,1 |
|15 |15,5 |174,5 |298,5 |100,8 |
|16 |3,5 |96,9 |201,6 |42,6 |
|17 |0 |42,6 |108,5 |7,8 |
|18 |0 |11,6 |31,0 |0 |
|19 |0 |0 |3,9 |0 |

1.2.Энергия ветра

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Примерно с 1973 года, когда резко возросли цены на нефть и нефтепродукты, энергия ветра все более часто стала использоваться для выработки электроэнергии во многих странах Мира, особенно в Европе и США /18 /. В СССР, а затем в России, ветроэнергетика отстает от ведущих капиталистических стран, хотя географическое положение нашей страны наиболее благоприятно для использования именно этого вида ВИЭ.
Особенно справедливо это для степных районов России, к которым относится
Ростовская область.

Суммарная кинетическая энергия ветра на Земле оценивается величиной порядка 0,7(1021 Дж /18/. Однако большая часть этой энергии выделяется над океанами. Тем не менее, как уже отмечалось, над равнинами, не покрытыми лесами, энергия ветра также довольно высока. Кроме того в такой местности ветер отличается большей устойчивостью, что особенно важно для работы ветроэнергетических установок.

Мощность ветрового потока (Sв) через единичную площадку (Fо) определяется по формуле:

, (1.2.1.) где: Wв - кинетическая энергия ветра, Дж; t - время действия ветра, с; m - масса воздуха, перемещенная ветром через площадку Fо за время t, кг; r - плотность воздуха, кг/м; r=1,3 кг/м;

V - скорость ветра, м/с; k - коэффициент энергии ветра, кг/м; k=0,65 кг/м;

Таким образом мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей степени, и для оценки этой мощности достаточно иметь информацию о скорости ветра.

В России имеются метеорологические службы, занимающиеся регистрацией скорости ветра /39/, следовательно имеются достаточно достоверные статистические данные о его скорости. Однако при этом следует помнить, что на метеостанциях скорость ветра измеряется на высоте 10 м над поверхностью
Земли в данной местности. Поэтому если ветроколесо находится на другой высоте, то скорость ветра следует пересчитать по следующей эмпирической формуле /18/:

,

(1.2.2.) где: Vh - скорость ветра на высоте h, м/с;

V - скорость ветра по данным метеостанции, м/с; h - высота оси ветроколеса, м; b - эмпирический коэффициент.

Для открытых мест параметр b=0,14 /19/. На основании статистических метеорологических данных /38 / определены параметры энергии ветра в течение года (табл.1.2.1.).

Таблица 1.2.1.

Параметры энергии ветра

|Месяц |Часы |Вероятность ветра со скоростью, м/с |
| | |1 |4 |8 |12 |16 > |20 |
|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |
|1 |1 |0,200 |0,471 |0,252 |0,067 |0,010 |0 |
| |7 |0,196 |0,464 |0,288 |0,042 |0,010 |0 |
| |13 |0,103 |0,484 |0,326 |0,077 |0,008 |0,002 |
| |19 |0,186 |0,472 |0,278 |0,052 |0,012 |0 |
|2 |1 |0,221 |0,425 |0,239 |0,075 |0,040 |0 |
| |7 |0,198 |0,443 |0,248 |0,095 |0,016 |0 |
| |13 |0,082 |0,414 |0,352 |0,117 |0,035 |0 |
| |19 |0,200 |0,445 |0,220 |0,102 |0,033 |0 |

Продолжение табл. 1.2.1

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |
|3 | 1| | 0,434| | | |0,006 |
| | |0,226 | |0,198 |0,099 |0,037 |0,002 |
| |7 |0,207 |0,444 |0,228 |0,102 |0,017 |0,012 |
| |13 |0,057 |0,469 |0,285 |0,137 |0,040 |0,004 |
|4 |19 |0,204 |0,476 |0,210 |0,070 |0,036 |0,006 |
| |1 |0,215 |0,523 |0,181 |0,052 |0,023 |0 |
| |7 |0,146 |0,525 |0,235 |0,077 |0,017 |0,006 |
| |13 |0,065 |0,423 |0,337 |0,117 |0,052 |0,002 |
| |19 |0,192 |0,546 |0,189 |0,048 |0,023 | |
|5 |1 |0,347 |0,482 |0,147 |0,020 |0,002 |0,002 |
| |7 |0,183 |0,584 |0,203 |0,028 |0,002 |0 |
| |13 |0,066 |0,528 |0,290 |0,099 |0,016 |0,002 |
| |19 |0,222 |0,608 |0,146 |0,022 |0,002 |0 |
|6 |1 |0,390 |0,519 |0,081 |0,004 |0,006 |0 |
| |7 |0,228 |0,584 |0,167 |0,019 |0,002 |0 |
| |13 |0,088 |0,552 |0,290 |0,056 |0,012 |0,002 |
| |19 |0,287 |0,562 |0,123 |0,025 |0,000 |0 |
|7 |1 |0,436 |0,489 |0,068 |0,006 |0,002 |0 |
| |7 |0,304 |0,570 |0,112 |0,014 |0,000 |0 |
| |13 |0,090 |0,608 |0,243 |0,046 |0,013 |0 |
| |19 |0,255 |0,600 |0,133 |0,008 |0,004 |0 |
|8 |1 |0,408 |0,510 |0,072 |0,008 |0,002 |0 |
| |7 |0,269 |0,626 |0,099 |0,006 |0,000 |0 |
| |13 |0,108 |0,584 |0,260 |0,038 |0,008 |0,002 |
| |19 |0,311 |0,607 |0,068 |0,012 |0,002 |0 |
|9 |1 |0,387 |0,513 |0,090 |0,010 |0,000 |0 |
| |7 |0,302 |0,559 |0,133 |0,004 |0,002 |0 |
| |13 |0,110 |0,541 |0,282 |0,053 |0,014 |0 |
| |19 |0,362 |0,565 |0,069 |0,004 |0,000 |0 |
|10 |1 |0,339 |0,474 |0,154 |0,027 |0,004 |0,002 |
| |7 |0,298 |0,529 |0,135 |0,032 |0,006 |0 |
| |13 |0,087 |0,516 |0,285 |0,083 |0,025 |0,004 |
| |19 |0,324 |0,501 |0,131 |0,034 |0,006 |0,004 |
|11 |1 |0,208 |0,432 |0,243 |0,080 |0,027 |0,010 |
| |7 |0,167 |0,478 |0,259 |0,078 |0,012 |0,006 |
| |13 |0,067 |0,433 |0,333 |0,126 |0,031 |0,010 |
| |19 |0,167 |0,468 |0,259 |0,069 |0,027 |0,010 |

Продолжение табл. 1.2.1

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 | |
|12 |1 |0,210 |0,431 |0,244 |0,088 |0,025 |0,002 |
| |7 |0,214 |0,408 |0,262 |0,088 |0,024 |0,004 |
| |13 |0,120 |0,446 |0,291 |0,111 |0,032 |0 |
| |19 |0,196 |0,446 |0,248 |0,082 |0,026 |0,002 |

Из таблицы 1.2.1. видно, что наиболее вероятные скорости ветра равны 4
- 12 м/с. По данным таблицы 1.2.1. определена мощность ветра через единичную площадку Fо=1м, т.е. удельная мощность ветра, и построены графики
(рис.1.2.1.).Удельная мощность, при этом, определялась с учетом вероятностного характера скорости ветра по формуле / 18,43/:

,

(1.2.3.) где: St - удельная мощность ветра во время t,Вт;

Vi - i-тая скорость ветра, м/с; pi(t) - вероятность действия i-той скорости ветра во время t. Для проектирования электроснабжения важным параметром является продолжительность штиля (V(1м/с). Из таблицы 1.2.1. определяем, что вероятность практического штиля в нашей зоне составляет 0,14 -0,30 в зависимости от времени года, однако максимальное количество идущих подряд штилевых дней для Ростовской области равно четырем /39/.Это обстоятельство следует учитывать при проектировании ветроэлектрических установок и определения глубины аккумулирования электроэнергии.

2. ВЫБОР ВАРИАНТА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Графики потребления электроэнергии

Энергия, потребляемая сельской усадьбой, расходуется на обогрев и приведение в действие различных электроприемников. Для обогрева в сельской местности традиционно используется ископаемое твердое или газообразное топливо, реже жидкое топливо. Применение для этих целей электроэнергии скорее является анахронизмом, нежели перспективным направлением.

Если исключить из рассмотрения обогрев, то остальные потребители являются электрическими и требуют электроэнергии. В этой связи, для проектирования электроснабжения необходимо иметь информацию о графиках электропотребления или изменении потребляемой мощности.

В руководящих указаниях по проектированию электроснабжения /36/ приведены данные о максимальной нагрузке на вводе в сельский жилой дом,которая составляет 1,5...7,5 кВт в зависимости от наличия газификации местности и уклада жизни. Однако, данных об изменении нагрузки в течение суток не приводится. В то же время, из-за того, что графики поступления энергии от ВИЭ неуправляемы человеком, для выбора варианта электроснабжения необходимо знать графики потребления электроэнергии.

Потребление электроэнергии является случайной величиной, и для получения графиков рекомендуется проводить соответствующие измерения, накапливая статистические данные. Однако, такой метод получения графиков электропотребления является трудоемким, требующим большого числа наблюдаемых объектов и длительного времени наблюдений. Так, для получения графика с надежностью 0,9 и при доверительном интервале 30% подвергнуть наблюдениям 622 сельские дома /5/, причем все они должны быть однотипными, а наблюдения должны проводиться в течение года.

Известны другие методы получения графиков электропотребления, например метод экспертной оценки. Этот метод основан на опросе респондентов и позволяет значительно сократить время получения необходимой информации.
Однако,для получения достоверных данных необходимо значительное количество объектов (т. е. экспертов), что также затруднительно.

В АЧГАА разработана методика получения достоверных данных о графиках электропотребления от небольшого числа экспертов /41/. Эта методика основана на правиле приведения одной случайной величины к другой. Сущность этого правила заключается в следующем.

Пусть приводимой является случайная величина Y, следовательно необходимо так изменить у1,у2...уm, чтобы Y*' = X*, sy' = sx Y*',sy' - параметры распределения приведенной случайной величины Yу1,у2...уm.

Установлено /$$$/, что i-тые значения до и после приведения связаны между собой соотношением:

,

(2.1.1.) где: - приведенное i-тое значение Yi; k1, k2 - коэффициенты приведения.

,

(2.1.2.)

(2.1.3.)

Что бы случайную величину Y привести к случайной величине Х, имеющей такой же закон распределения,но другие параметры распределения, необходимо i-тые значения случайной величины Y изменить по формуле (2.1.1),вычислив коэффициенты приведения по формулам (2.1.2) и (2.1.3).

В соответствии с описанной методикой было опрошено 7 экспертов, владельцев сельских усадеб с высокой насыщенностью электрооборудования, и получены данные о времени работы i-тых нагрузок. Путем статистической обработки этих данных получены усредненные значения нагрузки в i-тые периоды времени и параметры распределения Р( и ?p (таблица 2.1.1.).

Рассчитаны среднесуточные значения параметров распределения нагрузки в соответствии с РУМ-10 по следующим формулам и представлены в таблице 2.1.2.

,

(2.1.4)

,

(2.1.5)

,

(2.1.6)

,

(2.1.7) где: , sср - средние за сутки параметры распределения, Вт;

, sсрс - средние за сутки параметры распределения с учетом сезона, Вт.

По (2.1.4.) и (2.1.5.) рассчитаны коэффициенты приведения (таблица
2.1.2.) и приведены значения нагрузки в i - тый период времени (таблица
2.1.3.).

Таблица 2.1.1.

Параметры распределения графика нагрузки сельской усадьбы по экспертным данным
|Часы суток |Значения нагрузки, Вт |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|1 |2 |3 |4 |5 |
|0 - 1 |133 |217 |164 |467 |
|1 - 2 |50 |100 |64 |50 |
|2 - 3 |50 |100 |50 |50 |
|3 - 4 |50 |100 |84 |50 |
|4 – 5 |80 |125 |110 |67 |
|5 - 6 |180 |160 |110 |124 |
|6 – 7 |230 |203 |159 |203 |
|7 – 8 |357 |354 |278 |443 |
|8 – 9 |944 |971 |1064 |864 |
|9 – 10 |1307 |1371 |1278 |1207 |
|10 – 11 |1307 |1257 |1207 |1250 |
|11 – 12 |1121 |943 |893 |986 |
|12 – 13 |536 |429 |436 |393 |
|13 – 14 |707 |471 |421 |721 |
|14 – 15 |936 |700 |650 |664 |
|15 – 16 |1157 |1271 |507 |1143 |
|16 – 17 |1179 |1264 |850 |1274 |

Продолжение табл. 2.1.1
|1 |2 |3 |4 |5 |
|17 – 18 |724 |1264 |1200 |1200 |
|18 – 19 |746 |1356 |911 |1278 |
|19 – 20 |863 |1183 |1021 |1042 |
|20 – 21 |673 |1173 |578 |967 |
|21 – 22 |373 |949 |709 |596 |
|22 – 23 |212 |549 |438 |328 |
|23 – 24 |198 |246 |203 |192 |

Таблица 2.1.2.

Параметры распределения нагрузки по данным РУМ - 10

|Сезон |Коэффициент сезона |Рср, Вт |Бср, Вт |к1 |К2 |
|Зима |1 |1100 |535 |1,25 |365 |
|Весна |0,8 |880 |535 |1,12 |98 |
|Лето |0,7 |770 |375 |0,93 |251 |
|Осень |0,9 |990 |482 |1,08 |290 |

Таблица 2.1.3.

Параметры графика нагрузки, приведенные к генеральной совокупности

|Часы суток |Значения нагрузки, Вт |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|1 |2 |3 |4 |5 |
|0 - 1 |531 |341 |404 |794 |
|1 – 2 |427 |210 |312 |344 |
|2 – 3 |427 |210 |297 |344 |
|3 – 4 |427 |210 |329 |344 |
|4 – 5 |465 |238 |353 |362 |
|5 – 6 |590 |272 |353 |424 |
|6 – 7 |652 |325 |399 |499 |

Продолжение табл. 2.1.3

|1 |2 |3 |4 |5 |
|7 - 8 |811 |494 |510 |768 |
|8 – 9 |1545 |1185 |1240 |1223 |
|9 – 10 |1999 |1633 |1440 |1594 |
|10 – 11 |1999 |1506 |1373 |1640 |
|11 – 12 |1766 |1154 |1081 |1355 |
|12 – 13 |1035 |578 |656 |714 |
|13 – 14 |1249 |625 |642 |1069 |
|14 – 15 |1535 |882 |856 |1007 |
|15 – 16 |1811 |1521 |722 |1524 |
|16 – 17 |1839 |1514 |1041 |1666 |
|17 – 18 |1270 |1514 |1367 |1586 |
|18 – 19 |1298 |1617 |1098 |1670 |
|19 – 20 |1444 |1423 |1200 |1415 |
|20 – 21 |1206 |1412 |788 |1334 |
|22 – 23 |630 |713 |658 |644 |
|23 – 24 |612 |384 |440 |497 |

Как видно из таблицы 2.1.3., параметры распределения приведенной нагрузки совпадают с параметрами генеральной совокупности.

По данным таблицы 2.1.3. построены графики нагрузок на вводе в сельскую усадьбу (лист 4).

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

|rxy|Сезон |
| |Зима |Весна |Лето |Осень |
|rнв|0,66 |0,20 |0,44 |0,43 |
| |0,59 |0,25 |0,41 |0,34 |
|rнс| | | | |

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 увеличением Wв нелинейно. Это объясняется опережающим ростом материалоемкости и сложности конструкции /18,20,22/.В общем случае можно записать эмпирическое выражение:

Sв(Wв) = kвWвxх

(2.3.4.) где kв, 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

27( 0,03 = 0,81 (кВт)

Для расчета емкости аккумуляторов воспользуемся формулой:

, (2.3.14.) где: Eа- емкость аккумулятора, А ч;

Uа- напряжение аккумулятора, В.

Принимаем Еа = 10((6СТ-210) = 2100 А(ч.

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 А(ч.

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 |Момент на валу генератора(о.е.*10-2) при n0, об/мин |
|лопастей | |
| |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 сп