Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

(3.2.1.)

где: Мг - момент на валу генератора от ветроколеса, Нм;

Мвт - момент на валу ветроколеса, Нм;

n_ГН,n_ВН - 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 n_ГН/n_ВН.

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 η_п = 0,98 /21/. Расчет ведем для генератора с n_г = 500 об/мин. Рабочий диапазон скоростей ветра 4...16 м/с /38/.

Для этого диапазона Vв = 6,5 м/с, iп = 1,5.

(м)

Принимаем D = 4,0 м.

Внешний вид предлагаемой В-установки показан на листе 6.

4. КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Как отмечалось ранее (см.п. 1.1.) для маломощных солнечных энергоустановок наиболее эффективным является фиксированный сол­нечный коллектор. Так как фиксированный коллектор не является следящим устройством, то его ориентация играет особо важную роль в эффективности всей установки. Очевидно солнечный коллектор дол­жен быть ориентирован таким образом, чтобы за все время его ис­пользования он получал наибольшую суммарную энергию солнца.

Плотность солнечного излучения, поступающего на солнечный коллектор, определяется по формуле /18,37/:

, (4.1.1.)

где: S_к - суммарная за год плотность солнечного излучения на коллектор с параметрами ориентации  и , Вт/м²;

S_пi - плотность солнечного излучения на перпендикуляр­ную к нему площадку за i-тый промежуток времени, Вт/м²;

_i - средний угол солнца над горизонтом в i-тый период времени, град;

_сi - средний азимут солнца за i-тый период времени, град.

Учитывая, что метеорологические станции имеют наиболее полную информацию о плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность, выразим S_п через S_г /37/:

, (4.1.2.)

Тогда (4.1.1.) будет иметь вид:

, (4.1.3.)

Как видно из (4.1.3.) суммарная годовая плотность солнечного излучения на фиксированный коллектор зависит от двух параметров g и b.

Оптимальное значение угла g определяется из равенства /32/:

, (4.1.4.)

Проведем вычисления:

, (4.1.5.)

Воспользуемся тригонометрическим тождеством :

, (4.1.6.)

Обозначив, разделив (4.1.5.) на и с учетом (4.1.6.), получим:

, (4.1.7.)

Откуда определяем:

, (4.1.8.)

Или проведя обратную подстановку , окончатель­но получаем:

, (4.1.9.)

Как видно из (4.1.9.), оптимальный азимутный угол ориентации солнечного коллектора не зависит от угла его наклона к горизонту.

, (4.1.10.)

Оптимальный угол  определяется при условии  = _опт из условия:

, (4.1.11.)

Выполняем вычисления:

, (4.1.12.)

В результате расчетов получены следующие параметры ориента­ции солнечного коллектора:

- азимутный угол должен состовлять -12,5 град., т.е. солнеч­ный коллектор должен быть повернут на 12,5 град. на юго-восток;

- угол наклона к горизонтальной поверхности должен состов­лять 41,6 град.

Такая ориентация солнечного коллектора объясняется тем, что в Ростовской области в среднем за год в первой половине дня более ясная погода чем во второй половине дня.

Учитывая, что Зерноград расположен западнее поселка Гигант на 4,5 градуса, принимаем азимутальный угол солнечного коллектора равный 17 градусов.

5. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

5.1. Выбор электрических машин

Машина постоянного тока работает в двух режимах: генератор­ном и двигательном.

В режиме генератора МПТ должна обеспечивать только зарядку АБ. Так как в В-установке предусмотрено поддержание скорости вра­щения при изменении силы ветра, а режим зарядки АБ не является жестким ( напряжение зарядки может быть в пределах 13...20 В, а ток зарядки в пределах 0,1...1,3 I_з.н./ 1 /, где I_з.н.- номиналь­ный ток зарядки ), то для этих целей можно применить МПТ с любой системой возбуждения.

В режиме двигателя необходимо, чтобы обороты МПТ изменялись как можно меньше, при изменении нагрузки на валу, т.к. генератор переменного тока желательно вращать с постоянной скоростью. Для этих целей наиболее подходит МПТ параллельного возбуждения, у ко­торой зависимость оборотов от момента сопротивления или тока яко­ря слабо выражена/2,26/.

Генератор переменного тока предназначен для снабжения элект­роэнергией электроприемников сельской усадьбы, среди которых есть потребители как с активной нагрузкой (электроосвещение с лампами накаливания, электрокамины, утюги, инкубаторы), так и с активно-индуктивной нагрузкой (пылесосы, стиральные машины, теле радиоаппаратура и т.п.). В качестве ГПТ применяется синхронный генератор, который обеспечи­вает выработку электроэнергии достаточно высокого качества при любом виде нагрузки / 27 /.

Выбор электрических машин начинаем с ГПТ.

Максимальная эквивалентная мощность ( Pэнаг) нагрузки гене­ратора равна 1,1 кВт (зимний период). Выбираем генератор из усло­вия / 21,46 /:

Р_гн  Р_эmax =1.1(кВт) (5.2.1.)

где Р_гн - номинальная мощность генератора.

Принимаем синхронный генератор СГВ-6/500У1, технические ха­рактеристики которого следующие/30/:

Назначение - для ветроэнергетических установок;

Род тока - трехфазный переменный;

Частота тока - 50 Гц;

Напряжение номинальное - 400/230 В;

Мощность номинальная - 2,0 кВт;

Ток номинальный - 6,3 А;

Обороты номинальные - 500 об/мин;

К.П.Д. номинальный - 80/78,5 %

Коэффициент мощности номинальный - 0,8;

Напряжение возбудителя - 30 В;

Масса - 85 кг;

Вид климатического исполнения - У1;

Коэффициент искажения синусоиды напряжения - не более 10%;

Режим работы - S1.

Мощность на валу ГПТ определяется по формуле/21,46/:

, (5.2.2.)

где: Р_нагрi- мощность на валу генератора при i-той нагрузке, кВт;

h - к.п.д. генератора при i-той нагрузке.

Эквивалентная мощность на валу генератора определяется по формуле:

, (5.2.3.)

где t_i - продолжительность действия i-той нагрузки, ч.

Эквивалентная мощность на валу генератора ровна:

, (кВт)

Выбираем в качестве МПТ машину 2ПБВ112SУ1 со следующими техническими характеристиками /28/.

Назначение - двигатель и генератор;

Напряжение - 60 В;

Ток: - двигателя - 36 А;

- генератора - 28 А;

Скорость вращения - 500 об/мин;

Мощность:

- двигателя - 2,2 кВт;

- генератора - 1,7 квт;

К.П.Д. - 80% ;

Масса - 34,5 кг;

Режим работы - S1;

Максимальный момент, при (1,1Uв) - 50 Нм.

Выбранная машина постоянного тока нуждается в проверке толь­ко в двигательном режиме. При этом следует проводить проверку по нагреву, и по статической устойчивости /46/. Проверка по наг­реву ведется по условию /46/:

, (5.2.4.)

где: Р_н - номинальные потери мощности на нагрев, Вт;

Р_i - потери мощности на нагрев при i-той нагрузке, Вт.

, (5.2.5.)

где h_i - К.П.Д. двигателя при i-той нагрузке.

К.П.Д. при i-той нагрузке определяется по формуле/46/:

,