ДонНТУ   Портал магистров

Брухаль Андрей Александрович

Электротехнический факультет

Кафедра Систем программного управления и мехатроники

Специальность Микропроцессорные системы управления возобновляемыми источниками энергии

Моделирование режимов работы ветрогенераторной установки

Научный руководитель: ст. пр. Черников Вадим Геннадьевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Описание ветрогенераторных установок
• 3.1 Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения
• 3.2 Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения
• 3.3 Компоненты ветрогенераторной установки
• 4. Схемы режимов работы ветрогенераторных установок
• Выводы
• Список источников

Введение

Ограниченность мировых запасов топлива и энергии, неравномерность их распределения по планете, ухудшение экологической ситуации все острее ставят вопрос о всемирном использовании нетрадиционных экологически чистых энерготехнологий и использовании возобновляемых энергоресурсов. Активное использование экологически чистых источников энергии сейчас своего рода признак хорошего тона, всячески приветствуется как мировой общественностью, так и правительствами развитых стран. Из таких энергоресурсов наиболее распространенным и доступным является ветер. Ветроустановки не требуют наличия топлива или воды, они могут быть полностью автоматизированы, отчуждаемая территория минимальна и по расчетам составляет 3-5 м²/кВт установленной мощности. Эти установки практически полной заводской готовности, и для их монтажа требуется минимум времени – наличие фундамента и подключение к сети [3].

1. Актуальность темы

Ветровая энергетика в последние годы стала одним из самых востребованных источников альтернативной энергии. Люди уже давно задумались о том, как можно использовать мощную силу воздушных масс. На данный момент потенциал ветровой энергетики колоссален и развивается довольно быстро. Климатические условия практически любого региона позволяют активно развивать ветровую энергетику на огромных территориях в сотнях различных государств. Энергия ветра не зависит от времени года и места, где ее планируется аккумулировать. Зимой или летом, на заснеженном севере или жарком юге – ветер есть везде, что делает этот способ получения энергии довольно перспективным. Ветровая энергетика наиболее выгодна (а потому и в большей степени распространена) в регионах со среднегодовым показателем скорости ветра не менее 6 метров в секунду. А также в регионах, где других источников энергии очень мало, а доставка достаточно проблематична и отличается высокой стоимостью. Для таких регионов использование силы ветра – это выход из сложного положения и независимость от каких-либо условий, диктуемых извне. Ветровая энергетика очень востребована и применяется в любых отраслях человеческой жизни: в частных домах, на фермах и крупных промышленных производствах, можно увидеть разные ветровые установки. Ветровая энергетика – это экологически чистый способ получения энергии, чему в современном обществе уделяется большое внимание. Потенциал ее велик и очень вероятно, что, благодаря стараниям специалистов, через 10-20 лет она станет неотъемлемой частью нашей жизни [1].

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Основной целью работы является создание модели для изучения различных режимов работы ветрогенераторной установки.

Основные задачи исследования:

1. Изучение существующих видов ветрогенераторных установок;
2. Выбор основных компонентов ветрогенераторной установки;
3. Выбор способа реализации задания в программной пакете Matlab;
4. Расчет параметров ветрогенераторной установки.

Объект исследования: ветрогенераторная установка.

Предмет исследования: моделирование режимов работы ветрогенераторной установки.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

1. Разработка модели для изучения режимов работы ветрогенераторной установки;
2. Модификация известных моделей ветрогенераторной установки и оценка их эффективности.

3. Описание ветрогенераторных установок

3.1 Принцип действия, типы, применение, эффективность работы

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) – это прибор для превращения энергии ветра в электричессво. Изначально кинетическая энергия ветра превращается в механическую энергию ротора, а затем с помощь двигателя в электрическую энергию. На данный момент доступная мощность ветрогенератора от 5 кВт до 9 МВт. Современные устройства генерируют энергию даже при слабом ветре – от 4 м/с. Ветроэлектрические установки могут входить в состав частной электростанции и состоять из 100 и более ветрогенераторов, они соединяются в единую сеть и позволяют продавать излишнюю энергию государству по условиям зеленого тарифа.

В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом. Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора. Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти [4].

Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока, определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью:

В зависимости от оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом:

• с горизонтальной осью вращения;

• с вертикальной осью вращения.

3.2. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, поскольку они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность – отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей; от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, то есть они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного, приоритетного направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У маломощныъх ветрогенераторов как правило применяются для этой цели хвостовые оперения, у больших – ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра используется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса.

Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору, или другой рабочей машине. Из рис.3 видно, как установленная мощность, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров [2].

Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов съема мощности, что ведет к потере их эффективности. Они не имеют преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

3.3. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Такие роторы имеют важные преимущества перед ветрогенераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения.

К таким установкам относятся устройства с пластинами, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, однако меньшими быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.

В 1920 г. во Франции Дарье предложил новый тип ротора, интенсивной разработкой которого начали заниматься с 1970 г. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа. Ротор Дарье относится к ветрогенераторам, использующим подъемную силу, которая появляется на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, и большую быстроходность, в силу этого – относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости. Такие роторы имеют различную форму (Φ-, Δ-, Υ- и ромб-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей [1].

Крылья пропеллера должны быть легкими и в то же время достаточно прочными. Они делаются из дерева, стали или искусственных материалов – таких как фиберглас. Современные ветрогенераторы конечно, более производительны чем ветряки. Количество вырабатываемого ими электричества зависит от силы ветра и площади лопастей пропеллеров. Например, увеличивая вдвое площадь лопастей, можно получить вчетверо больше электричества. Однако непостоянство силы ветра требует надежной аккумуляции (сохранения) энергии на периоды затишья. Однако существующие аккумуляторы электроэнергии очень дороги и могут работать с хорошей отдачей лишь с малыми ветрогенераторами. Вследствие этого энергию ветра лучше аккумулировать в самом продукте, который она производит: в смолотой муке, измельченных кормах, воде, наполнившей водонапорную башню. Все это повышает ценность применения ветровой энергии именно в сельском хозяйстве.

Одно из достоинств ветроустановок заключается в том, что они действуют как бы в унисон с нашими потребностями. В большинстве регионов земного шара наиболее сильные ветра дуют осенью и в начале зимы – как раз тогда, когда человек больше всего нуждается в свете и тепле. И наоборот, времена затишья – в основном летом – совпадают с периодами сокращения потребления энергии (мы говорим, разумеется, о бытовом потреблении). Но это и другие достоинство выглядят бледновато по сравнению с основным недостатком: чтобы увеличить мощность ветроустановки, надо наращивать размер лопастей, то есть, утяжелять конструкцию. Однако тогда для работы ветрогенератора потребуется еще большая скорость ветра, а значит, сузятся районы применения установки.

3.3 Компоненты ветрогенераторной установки

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:

- Генератор – необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра;

- Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра;

- Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.

Список дополнительных необходимых компонентов:

- Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей;

- Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание любого объекта идёт от аккумуляторных батарей;

- Анемоскоп и датчик направления ветра – отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности;

- АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Но АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания;

- Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.

4. Схемы режимов работы ветрогенераторных установок.

Существует несколько популярных схем режимов работы ветрогенераторных систем с потребителями. Это всего лишь некоторые примеры, поэтому возможны и другие схемы работы. В каждом случае составляется индивидуальный проект, который способен решить поставленную перед потребителем задачу.

Питание устройств происходит только от ветрогенератора напрямую, при отсутствии ветра происходит питание через аккумуляторные батареи.

Устройство автоматического включения резервного питания и оборудования (АВР) позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Также устройство позволяет производить переключение в обратный режим. В этом случае АВР осуществляет переключение на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети.

В случае отсутствия ветра и разряде аккумуляторных батарей происходит автоматический запуск резервного генератора.

Общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей – в неё уходит вся выработанная электроэнергия и из неё потребляется. Вы платите только за разницу между выработанной и потреблённой электроэнергией. Такая схема работы пока-что не разрешена в Украине и во многих других странах.

Возможно подключение солнечных фотомодулей к ветрогенераторной системе через гибридный контроллер или с помощью отдельного контроллера для солнечных батарей.

Возможно установить два и более генератора, инвертора и комплекта аккумуляторов для увеличения мощности системы. Также возможны другие схемы работы и коммутации ветрогенераторов.

Вывод

В ходе научно исследовательской работы студента была выполнена работа по изучению работы ветрогенераторной установке. В частности были изучены основные компоненты, была проведена оценка качества эффективности работы ветрогенераторных установок. Был рассмотрен принцип работы, типы и применение ветрогенераторной установки. Изучены модели различных режимов работы ветрогенераторных установок.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Кривцов В. С., Олейников А. М., Яковлев А. И. Неисчерпаемая энергия Кн. 1. Ветрогенераторы: Учебн – Харьков: Нац. аэрокосм ун–т Харьк. авиац. ин–т – Севастополь: СевНТУ, 2003
2. Кривцов В. С., Олейников А. М., Яковлев А. И. Неисчерпаемая энергия Кн. 2. Ветрогенераторы: Учебн – Харьков: Нац. аэрокосм ун–т Харьк. авиац. ин–т – Севастополь: СевНТУ, 2004.
3. Ветровая энергетика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://novostienergetiki.ru/...
4. Харитонов В. П. Автономные ветроэлектрические установки. Москва 2006г. – 275 с.
5. Белей В. Ф. Ветроэнергетические установки: тенденции развития, проблемы подключения и эксплуатации в составе электроэнергетических систем / Белей В. Ф.// Малая энергетика. 2005. – № 1-2. – С. 6.
6. Олейников А. М. ,Матвеев Ю. В. ,Канов Л. Н. Моделирование режима ветроэлектрической установки малой мощности.// Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №2
7. Каргиев В. М. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. «ИСЦ», 2001 г. – 62 с.
8. Агеев В. А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. (курс лекций) Кафедра теплоэнергетических систем, 2004 г.
9. Кулешов Е. В. Магнитоэлектрический синхронный генератор на базе асинхронной машины для автономной ветроэлектрической установки / Диссертация. – Владивосток. – 2001. – 160 с.
10. Huang Nantao, Simulation of Power Control of a Wind Turbine Permanent Magnet Synchronous Generator System, 2013.