РЕФЕРАТ
Зміст реферату
Вступ
1. Актуальність теми
2. Постановка завдання досліджень
3. Мета роботи
4. Огляд існуючих методів
4.1 Вітродвигуни з співвісними вітроколеса 4.2 Турбогенераторні установки
5. Постановка цілей
6. Рішення завдання
Висновки
Список літератури
Вступ
Непомірне використання ресурсів землі для отримання енергії мимоволі наводить на думку: ‘Як бути, коли закінчаться основні джерела енергії?’ Такі як нафта, газ та інші. Одним із шляхів вирішення цього питання є використання нескінченних, за людськими мірками, джерел енергії. У порівнянні з іншими альтернативними джерелами енергії, такими як: сонце, вода, тепло землі, найбільшу ефективність показує вітер[13]. Це пов'язано з тим, що саме вітер присутній практично цілий рік, і щодо інших джерел залишається стабільним.
Ключову роль в отриманні електроенергії відіграє швидкість вітру. Саме тому в місцях з низькою середньорічною швидкістю вітру необхідно використовувати всі засоби для отримання максимальної вироблення ВЕУ. Один з таких способів є метод ‘розкрутки’ вітрогенератора.
1. Актуальність теми
Безперервний темп зростання вітроенергетики, сам по собі доводить актуальність даної теми. Він давно перевищив темпи розвитку традиційної та атомної енергетики, і становить на сьогодні близько 30% в рік. Неважко підрахувати, що вже в найближчих десяти років вітроенергетика перевищуватиме вироблення електроенергії атомними станціями. Стислий перелік причин такої ситуації[4-5]:
- Ціни на електроенергію з 2006р. - 2012р. зросли майже втричі.
- Екологічно чисте виробництво енергії.
- Можливість забезпечення енергією в місцях, де відсутня фізична можливість підключення.
- Низька якість електроенергії в промислових мережах.
- Нескінченна, за людськими масштабами, енергія.
2. Постановка завдання досліджень
Показники потужності, що генерується однією вітроенергетичною установкою (ВЕУ) залежать від двох речей:
1. Середньорічною швидкістю вітру (в місці де розташована ВЕУ);
2. Конструктивні особливості ВЕУ.
У даній роботі розглядається автономний вітрогенератор, який буде розташовуватися в нашому регіоні.
Середньорічна швидкість вітру в Донецьку становить близько 4.7 - 5.0 (м / с)[6].
Засіб боротьби з малими швидкостями вітру це використання багатолопатеве вітроколеса, яке приводить до зменшення швидкохідності вітрогенератора[1], а отже і його потужності, що генерується; або збільшенням висоти вежі. Відомо, що зі збільшенням висоти, збільшується і швидкість вітру. Формула розрахунку швидкості вітру на висоті вежі[2]:
(1)
де V - бажана швидкість вітру (м / с), V0 - швидкість вітру на землі (м / с), H - висота вежі (м), H0 - висота на якій була виміряна швидкість вітру на землі (м), a - имперический показник степені 0.14.
Більшість сучасних вітрогенераторів розраховані на номінальну швидкість вітру в межах 8 - 11 (м / с). Досягнення номінального вітру для сучасних ВЕУ шляхом збільшення висоти башти недоцільно. На рис.1 приведена залежність перерахованої швидкості вітру в залежності від різних висот вежі, (швидкість вітру на землі прийнята 5 м / с).
Рис.1 - Залежність перерахованої швидкості вітру в залежності від різних висот вежі
З рис.1 видно, що для максимального використання сучасної ВЕУ, в місцях з низько річний швидкостями вітру, необхідна висота вежі більше ніж 500 м., що є технічно і економічно недоцільно.
Миттєва потужність вітрового потоку визначається за формулою[7]:
(2)
де Nпоток - миттєва потужність вітрового потоку, P - масова щільність повітря (кгсек ^ 2 / м ^ 4), F - ометаєма вітроколесом поверхня (м ^ 2), V - швидкість вітру (м / с).
З формули (2) видно, що потужність вітрового потоку пропорційна кубу швидкості вітру.
Розрахунок захоплюваної вітроколесом поверхні:
(3)
де F - ометаєма вітроколесом поверхня (м ^ 2), D - діаметр вітроколеса (м).
З формули (3) випливає, що развиваемая потужність ветродвігателем змінюється пропорційно квадрату діаметра вітроколеса.
З усього вище сказаного можна зробити висновок, що сучасні вітрогенератори в місцях з низько річний швидкістю вітру, генерують лише 13% потужності від можливої, що неприйнятно з урахуванням їх вартості. Використання методів підвищення ефективності роботи вітрогенератора є актуальною задачею в нашому регіоні. Мною запропонований метод ‘розкрутки’ вітрогенератора, який дозволяє збільшити генеровану потужність ВЕУ приблизно на 1%.
3. Мета роботи
1. Обгрунтування і розробка електронної системи підвищення ефективності роботи вітрогенератора, яка найбільш ефективна в місцях з низько річний швидкість вітру.
2. Моделювання електронної системи ‘розкрутки’ вітрогенератора.
4. Огляд існуючих методів
Актуальність даного виду енергії, змушує багатьох інженерів замислитись над питанням методів підвищення ефективності роботи вітрогенератора.
4.1 Вітродвигуни з співвісними вітроколеса
Знаючи, що вітроколесо використовує не всю енергію набігаючого на нього вітрового потоку, було запропоновано використовувати одне чи кілька вітроколіс в одному вітрогенераторі[3].
На рис.2 приведена схема голівки вітродвигуна з трьома співвісними вітроколесами.
Рис.2 - Схема голівки вітродвигуна з трьома співвісними вітроколесами.
Метод не знайшов широкого застосування, тому що з теорії ідеального вітряка швидкість вітру набігаючого на друге вітроколесо в три рази менше швидкості потоку набігаючого на перше вітроколесо. І як видно з формули (2) - потужність що розвивається другим вітроколесом буде в 27 разів меншою, ніж потужність першого. Навіть якщо не враховувати взаємної шкоди вітроколіс один на одного, конструкція буде складно реалізованою.
4.2. Турбогенераторні установки.
Метод полягає в установці генераторів зі своїми вітроколесами на лопасті основного вітроколеса. Схема турбогенераторний установки показана на рис. 3[8].
Рис. 3 - Схема турбогенераторної установки
де 1 - лопаті основного вітроколеса, 2 - лопаті додаткових генераторів, 3 - турбіни генератора, 4 - гондола, 5 - вежа.
Суть методу, полягає в тому, при обертанні основного вітроколеса, швидкість набігаючого потоку на додаткові вітроколеса дорівнює окружної швидкості кінця лопатки, де розташовані генератори. Сумарна потужність як виявилася, перевершує потужність установки без турбогенераторів. Метод почав використовуватися з 2003 року, дослідний зразок ТГ-750 показав хороші результати. На сьогодні вже побудована установка під назвою ТГ16м.
Цей метод показує хороші результати тільки для дуже потужних установок, висота вежі яких близько 60м.
5. Постановка цілей
Вітрогенератор починає генерувати енергію після початку обертання вітроколеса. Вітроколесо починає обертатися, коли підйомна сила лопатей (створювана набігаючим потоком вітру), перевищить момент гальмування генератора і редуктора або, що те ж саме тертя спокою. Цю швидкість прийнято позначати як швидкість страгивания. Але, що цікаво, коли вітроколесо вже почало рухатися момент гальмування генератора і редуктора значно менше, тому що наразі має місце тертя кочення, яке значно менше тертя спокою. З цього випливає висновок, що якщо під час обертання швидкість вітру опуститься нижче швидкості страгиванія, вітроколесо продовжить розкручуватися. Швидкість вітру, при якій вітроколесо почне зупинятися, позначимо граничної швидкість вітру. На рис. 4 зображено графік роботи вітрогенератора.
Рис.4 – Графік роботи вітрогенератора.
З рис.4 видно, що графічно робота вітрогенератора має характер петлі гистерезиса.
В області між граничної і страгуемой швидкостями, вітрогенератор може як працювати, так і немає. Це залежить від попереднього стану вітроколеса, стоїт чи обертається.
Метод ‘розкрутки’ вітрогенератора дозволяє усунути залежність від попереднього стану вітроколеса, і змусити ВЕУ працювати в області між граничної і страгуемой швидкостями постійно.
6. Рішення завдання
Пропонована електронна система підвищення ефективності роботи вітрогенератора складається з вимірювальної частини, системи перетворення і управління на основі мікропроцесора. Вимірювальна частина являє собою електромотор 3В, з крильчаткою на його роторі, і випрямляючий міст на виході. Вітер приводить в рух крильчатку приладу, Відтак, на виході маємо постійну напругу, що залежить від швидкості обертання ротора, а отже від швидкості вітру.
Напруга подається на мікроконтроллер, який в свою чергу чекає, коли швидкість вітру виявиться в межах: нижче швидкості страгивания вітроколеса, але вище граничної швидкості. Паралельно з цим, на мікроконтроллер, подається напруга з генератора ВЕУ, для перевірки стану вітроколеса (стоїть чи обертається). Коли швидкість вітру знаходиться в потрібних межах, і контролер реєструє, що вітроколесо стоїть (напруга дорівнює 0В), контролер замикає акумулятори ВЕУ з генератором. Причому замикання відбудеться, не відразу після виконання двох умов. Мікроконтролер виконує перевірку стабільності даного вітру протягом 10-20 сек. Структурна схема системи підвищення ефективності роботи вітрогенератора представлена на рис. 5.
Рис. 5 – Структурна схема системи підвищення ефективності роботи вітрогенератора
Вимірювальний пристрій спочатку проходить калібрування, для визначення залежності вихідної напруги від швидкості вітру. Ця напруга подається на АЦП мікроконтролера. Пристрій введення, являє собою блок кнопок, для завдання кордонів швидкостей вітру.
Промоделювати роботу електронної системи підвищення ефективності роботи вітрогенератора, використавши реальні дані для швидкостей вітру за 2011 рік отримав: рис.6 - відсоткова залежність підвищення потужності, що генерується від висоти вежі.
Рис. 6 – Вдсоткова залежність підвищення потужності, що генерується від висоти вежі
За даними рис.6 видно, що зі збільшенням висоти башти, а отже й швидкості вітру - електронна система показує кращі результати.
На рис.7 представлена залежність потужності, що генерується, при швидкості вітру в межах: нижче швидкості страгивания вітроколеса, але вище граничної швидкості, від діаметра вітроколеса.
Рис.7 - Залежність потужності, що генерується, при швидкості вітру в межах: нижче швидкості страгивания вітроколеса, але вище граничної швидкості, від діаметра вітроколеса
Також роботи електронної системи можна представити як осцилограму рис.8.
Рис. 8 – осцилограма роботи електронної системи "розкрутки" вітрогенератора
де t - час (с), V - швидкість вітру (м / с), U - напруга на виході генератора (В), Реле - стан реле (коли 0 - розімкнуте, 1 - замкнене).
Висновки
Проаналізувавши дані за вітром за січень 2011 рік, отримав, що кількість годин, що задовольняє методу ‘розкрутки’ складає: 52 години, що в свою чергу дасть додатково близько 1 кВт на місяць. Орієнтовна вартість електронної системи складає не більше 50 гр. Окупність системи складе близько 5 років.
1. Фатеев Е.М. Как сделать самому ветроэлектрический агрегат. Государственное энергетическое издательство, 1949 г. – 64 с. 2. Виноградов Н.В., Виноградов Ю.Н. Как самому рассчитать и сделать электродвигатель. ЭНЕРГИЯ, 1974 г. – 164 с. 3. Шефтер И.Я., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. Министерства сельского хозяйства СССР, 1957 г. – 145 с. 4. Европейская ассоциация ветроэнергетики (European Wind Energy Association, Бельгия), [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://www.ewea.org/
Список літератури
5. Global Wind Energy Council, [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: www.gwec.net/ 6. Климат Донецка, [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://www.meteoprog.ua/ru/climate/Donetsk/ 7. Шефтер И.Я., Рождественский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты. «КОЛОС» Москва, 1967 г. – 372 с. 8. Проектно конструкторское технологическое бюро «КОНКОРД», [Электронный ресурс] - Режим доступа [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://wind.dp.ua/
9. Каргиев В.М. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. «ИСЦ», 2001 г. – 62 с.
10. Литвиненко А.М. Пособие по изготовлению ветроагрегатов. 17 с.
11. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. (курс лекций) Кафедра теплоэнергетических систем, 2004 г.
12. Перебаскин А.В. Микросхемы для управления электродвигателями (Энциклопедия ремонта. Вып. 12) – 1999г., 291 с. 13. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. «Энергоатомиздат», 1983 г. – 199 с.
14. Рензо Д. Ветроэнергетика. . «Энергоатомиздат», 1982 г. – 271 с.
15. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. Москва 2006г. – 275 с.
16. Форум. Нетрадиционная энергия. [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://www.fieldlines.com/
17. Альтернативные источники энергии. [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://imlab.narod.ru/Energy/Energy.htm
18. Малая энергетика. [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://rosinmn.ru/
19. Ветроэнергетика. [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://www.rlocman.ru/wind/
При написанні даного реферату кваліфікаційну роботу магістра ще не завершено. Дата завершення роботи: 1 грудня 2012 р. Повний текст і матеріали за темою роботи можуть бути отримані у автора або наукового керівника після вказаної дати.
