АНАЛИЗ МЕТОДА «РАСКРУТКИ» ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
Черкашин П.П. магистрант; Науч. руководитель доц., к.т.н. Сенько В.Ф.
(Донецкий национальный технический университет, г.Донецк, Украина)
Общий анализ проблемы и постановка задачи исследований. Непомерное использование ресурсов земли, для получения энергии, невольно наводит на вопрос: «Как быть, когда закончатся основные источники энергии? » такие как нефть, газ. Одним из путей решения этого вопроса является – использование неисчерпаемых, по человеческим меркам, источников энергии. Наиболее эффективным источником энергии является ¬– ветер.
Ключевую роль в получении электричества играет скорость ветра. Именно по этому, в местах с низкой среднегодовой скоростью ветра, необходимо использовать все способы для получения максимальной выработки ВЭУ. Один из таких способов является – метод «раскрутки» ветрогенератора.
Обзор существующих методов.
Актуальность данного вида энергии, заставляет многих инженеров задуматься над вопросом методов повышения эффективности работы ветрогенератора. Некоторые из них:
1. Ветродвигатели с соосными ветроколесами [3] (получение большей мощности, за счет использования оставшейся кинетической энергии ветра, после прохождение через первое ветроколесо);
2. Ветродвигатели с гидравлическими аккумуляторами [3] (использование избыточной энергии ВЭУ, для перекачки воды из нижнего водоема в специальный верхний водоем. В безветренные дни энергия поднятой воды превращается в электрическую на турбинах ГЭС).
Оба метода не нашли широкого применения, это связанно с тем, что в первом случае: по теории идеального ветряка [1], мощность развиваемая вторым ветроколесом в 27 раз меньше мощности, развиваемой первым ветроколесом, сложность реализации метода, вредное влияние ветроколес друг на друга. Во втором случае, необходимы определенные условия: наличие неподалёку источника воды, сооружение достаточно большого резервуара для поднятой воды.
Цель работы
Обоснование метода и моделирование электронной системы повышения эффективности работы ветрогенератора.
Решение задачи.
Предлагаемая электронная система повышения эффективности работы ветрогенератора состоит из измерительной части системы преобразования и управления на основе микропроцессора. Измерительная часть представляет собой электромотор 3В, с крыльчаткой на его роторе, и выпрямительный мост на выходе. Ветер приводит в движение крыльчатку прибора, следовательно, на выходе имеем постоянное напряжение, зависящее от скорости вращения ротора, а следовательно от скорости ветра. Напряжение подается на микроконтроллер, который в свою очередь ждет когда скорость ветра окажется в пределах: ниже скорости страгивания ветроколеса, но выше граничной скорости. Параллельно с этим, на микроконтроллер, подается напряжение с генератора ВЭУ, для проверки состояния ветроколеса (стоит или вращается). Когда скорость ветра находится в нужных приделах, и контроллер регистрирует, что ветроколесо стоит (напряжение равно 0В), контролер замыкает аккумуляторы ВЭУ с генератором. Причем замыкание произойдет, не сразу после выполнения двух условий. Микроконтроллер выполняет проверку устойчивости данного ветра в течении 10-20 сек. Структурная схема системы повышения эффективности работы ветрогенератора представлена
на рис. 1.
Рис. 1 – Структурная схема электронной системы
Измерительное устройство первоначально проходит калибровку, для определения зависимости выходного напряжения от скорости ветра. Это напряжение подается на АЦП микроконтроллера. Устройство ввода, представляет собой блок кнопок, для задания границ скоростей ветра.
Имея данные скорости ветра за прошлые года, можно промоделировать работу данной электронной системы. Сначала идет пересчет скорости ветра для высоты башни [1] по формуле:
(1)
где V – искомая скорость ветра (м/с), V0 – скорость ветра на земле (м/с), H – высота башни (м), H0 – высота на которой была измерена (м), a – имперический показатель степени 0.14.
Затем рассчитывается электрическая мощность генератора [1] по формуле:
(2)
Где Pэл – электрическая мощность генератора (Вт), Q – плотность воздуха (1,23 кг/м3), S – площадь ветроколеса (м2), – скорость ветра на высоте башни (м/с), Cp – коэффициент использования энергии ветра (0.593 – идеальное ветроколесо), Nген – КПД генератора, Nред – КПД повышающего редуктора.
После определяется ток в нагрузке ВЭУ [2] по формуле:
(3)
где Iн – ток в нагрузке ВЭУ (А), Рэл – электрическая мощность генератора (Вт), Uн – напряжение нагрузки (В), Iобм.воз. – ток обмотки возбуждения (А).
Последнее, что необходимо подсчитать это реальную мощность ВЭУ:
(4)
где Рреал – реальная мощность ветроэнергетической установки (Вт), Uн – напряжение нагрузки (В), Iн – ток в нагрузке ВЭУ (А).
На рис. 2 приведена промоделированная процентная зависимость повышения генерируемой мощности от высоты башни.
Рис. 2 – Процентная зависимость повышения генерируемой мощности от высоты башни
На рис. 3 – генерируемая мощность, при скорости ветра в приделах ниже скорости страгивания ветроколеса, но выше граничной скорости, от диаметра ветроколеса.
Рис. 3 – Зависимость мощности от диаметра ветроколеса
Из результатов, приведенных на рис. 2 и рис. 3, следует, что увеличение высоты башни и диаметра ветроколеса способствует повышению эффективности работы ВЭУ.
Вывод.
Проанализировав данные по ветру за январь 2011 год, получил, что количество часов удовлетворяющее методу «раскрутки» составляет: 52 часа, что в свою очередь даст дополнительно около 1 кВт в месяц. Ориентировочная стоимость электронной системы составляет не более 50 гр. Окупаемость системы составит около 5 лет.
Перечень ссылок.
1. Е.М. Фатеев. Как сделать самому ветроэлектрический агрегат. Государственное энергетическое издательство, 1949 г. – 64 с.
2. Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов. Как самому рассчитать и сделать электродвигатель. ЭНЕРГИЯ, 1974 г. – 164 с.
3. И.Я. Шефтер, И.В. Рождественский. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. Министерства сельского хозяйства СССР, 1957 г. – 145 с.