Разработка ветроэнергетической установки

Разработка ветроэнергетической установки

РЕФЕРАТ

96 с., 42 рис., 3 табл., 1 приложение, 23 источников.

Объект исследования – силовой полупроводниковый преобразователь в составе электромеханической системы имитатора ветротурбины.

Цель работы – построение математической модели силового полупроводникового преобразователя, а также проверка адекватности модели, т. е. сравнение экспериментальных данных с результатами расчета по методике.

В данной магистерской работе представлен автоматизированный электропривод постоянного тока. Произведен расчет силового полупроводникового преобразователя, конструктивный расчет сглаживающего реактора, а также расчет заземления и защитного отключения. С помощью многокритериальной оптимизации выбрано оптимальное значение индуктивности сглаживающего реактора. Построена математическая модель рассчитанной схемы силового полупроводникового преобразователя. Приведены структурная и принципиальная электрическая схемы и сборочный чертеж силового блока электромеханической системы для имитации поведения ветротурбин.

Проведены экспериментальные исследования электромагнитных процессов в разработанном трехфазном мостовом выпрямителе в составе электропривода имитатора.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, ВЕТРОТУРБИНА, МУЛЬТИПЛИКАТОР, АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, МОМЕНТ ИНЕРЦИИ, МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, ДВИГАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, СГЛАЖИВАЮЩИЙ РЕАКТОР, ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к проблемам использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) связан с увеличением масштабов потребления ископаемого топлива.

В настоящее время запасы органического топлива истощаются и его использование во все возрастающих объемах ведет к загрязнению окружающей среды стало всеобщим. Выделение углекислого газа, приводящего к глобальному потеплению. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как оно не нарушает естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой. К ВИЭ относятся: солнечная радиация, энергия ветра, энергия рек, приливов и океанских волн, энергия, заключенная в биомассе и органических отходах. Для Украины перспективным является использование ветроэнергетических ресурсов.

В ближайшем будущем ожидается значительный рост использования ВИЭ. В настоящее время доля возобновляемой энергии в энергобалансе Европы составляет 5,4 %. К 2010 году планируется довести этот показатель до 12%.

Энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет; в последние 10 15 лет бурно развивалось ее использование для производства электрической энергии. К настоящему времени в мире установлено более 20000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют экономически эффективно с высокой степенью надежности преобразовывать энергию ветра. ВЭУ могут использоваться для различных целей, начиная от заряда аккумуляторных батарей (АБ) и энергоснабжения различных объектов (дома, фермы и пр.) до подачи электроэнергии в сети централизованного электроснабжения.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Прежде чем энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы, главные из которых: высокая стоимость ветроэнергетических установок, их способность надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойное электроснабжение. Поэтому, сегодня наиболее важной задачей стоящей перед ветроэнергетикой является снижение удельной стоимости электрооборудования ВЭУ. Одним из путей снижения стоимости является применение более экономичных структур электрооборудования ВЭУ. [1]

Однако, перед разработчиками ЭО возникает ряд специфических трудностей, связанных с наличием в составе ВЭУ ветротурбины (ВТ). Испытание новых систем необходимо проводить в полевых условиях. Кроме того, стохастический характер ветрового потока (ВП) делает затруднительным испытание ВЭУ во всех возможных режимах.

Одним из путей преодоления возникших проблем, является применение имитатора ВТ, т. е. электромеханической системы способной имитировать механические характеристики реальной ВТ при различных заданных скоростях ВП. Такой подход является экономически выгодным, поскольку позволит производить испытания новых видов электрооборудования ВЭУ в лабораторных условиях без выезда на полигон.

1 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА С ПОМОЩЬЮ ВЭУ

1.1 Характеристики ветрового потока

Свойства ветра. Ветер – это направленное перемещение воздушных масс. Ветровую энергию можно рассматривать как одну из форм проявления солнечной энергии, потому что Солнце является тем первоисточником, который влияет на погодные явления на Земле. Ветер возникает из-за неравномерного нагрева Солнцем поверхности Земли.

Ветер меняется с течением времени. В большинстве регионов наблюдаются значительные сезонные изменения ветровых потоков. Причем в зимние месяцы скорость ветра обычно выше, чем летом. Дневные изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер. Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья.

Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Таким образом, ветры бывают сильнее на больших высотах по отношению к земле. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12%.

На скорость ветра оказывают значительное влияние географические условия и характер земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие, как холмы и пр., а также деревья и здания. По этой причине ВЭУ располагают, по возможности, на возвышенных и удаленных от высоких деревьев, жилых домов и других сооружений местах, т.к. такие препятствия снижают скорость ветра и приводят к завихрениям потока, затрудняющим преобразование энергии ветра.

Среднегодовая скорость ветра VС характеризует ветровой потенциал территории. Это скорость ветра, которая определяется как среднее арифметическое значение всех наблюдаемых скоростей ветра в течение года. Средние скорости ветра могут быть вычислены и для других периодов, например: месячные, дневные, часовые.

Энергия, заключенная в ветре, находится в кубической зависимости от величины скорости ветра. Удвоение скорости ветра дает увеличение энергии в 8 раз. Таким образом, средняя скорость ветра 5 м/с может дать примерно в 2 раза больше энергии, чем ветер со средней скоростью 4 м/с.

Характеристики ветра измеряются на метеостанциях. На основе данных многолетних наблюдений скоростей ветра составляются специализированные карты ветров. [1]

Энергия ветра. Главной особенностью ветровой энергии является неравномерность ее проявления во времени и пространстве. Есть регионы, где средняя за год скорость ветра на высоте 10 м от уровня земли не превышает 3 м/с. Там нельзя рассчитывать на эффективную работу ветроустановок. Однако в стране имеется много мест, где возможность экономически выгодного использования энергии ветра не вызывает сомнений, но конкретный выбор участков для установки ВЭУ требует специального обоснования и проверки.

Кинетическая энергия Е, которой обладает воздушный поток, зависит от его массы m и скорости V может быть определена по формуле:

                                                                                       (1.1)

Если в формулу (1.1) подставить значение массы воздуха, протекающей через ветротурбину двигателя, то получим выражение для его мощности:

                                                                                   (1.2)

где ρ – плотность набегающего воздушного потока;

А0 – ометаемая ветротурбиной поверхность;

V0 – скорость набегающего воздушного потока.

К основным факторам, влияющим на точность оценки энергии ветра, относятся: изменение плотности воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря и температуры и соответствие имеющихся данных по ветру ветровым условиям конкретного местоположения ветродвигателя.

Плотность воздуха на уровне моря при нормальных климатических условиях, соответствующих нормальному атмосферному давлению 760 мм рт. ст. и температуре +15 °С, равна ρ = 1,226 кг/м3. В зависимости от высоты над уровнем моря плотность ρ изменяется, снижаясь почти на 10% при высоте 1 км и на 20% при высоте 2,5 км над уровнем моря, что приводит к соответствующему снижению потенциала ветровой энергии. При снижении температуры воздуха плотность ρ воздуха увеличивается, а при повышении – снижается. Так, при понижении температуры воздуха от нормального уровня (+15 оС) на 25 °С (до -10 °С), плотность возрастает на 10%, а при повышении температуры на 25 оС (до +40 °С) — плотность воздуха снижается приблизительно на 7,5%.

Скорость ветра Vi на высоте Нi, если она отличается от высоты, на которой производились измерения, определяется по формуле:

                                                                               (1.3)

где m = 0,14 – степенной коэффициент для прибрежных зон Западной Европы.

Непрерывная регистрация измерений скорости ветра на метеостанциях в течение многих лет показала, что среднегодовые и средне меся иные значения скорости ветра в конкретном месте варьируют в узком диапазоне. Несмотря на то, что ветер – это случайный процесс, емy присущи определенные закономерности.

Кроме средней скорости ветра большое значение имеет распределение скоростей ветра во времени – частота повторяемости отдельных значений скоростей ветра. В последние 20 лет широкое применение во всем мире получило теоретическое распределение повторяемости скоростей по Вейбуллу, которое дает неплохое совпадение с результатами наблюдений. Дифференциальная повторяемость скоростей ветра по градациям по Вейбуллу ФV имеет следующее выражение:

                                                                (1.4)

где V – градация скорости ветра;

β – параметр масштаба, численно близкий к величине среднего значения скорости ветра;

γ – параметр формы кривой распределения.

Рисунок 1.1 – Функция распределения скорости ветра (распределение плотности вероятности)

Чтобы получить значения параметров γ и β, достаточно иметь экспериментальные данные повторяемости скоростей ветра, желательно за возможно больший период наблюдений. Знание параметров распределения β и γ существенно повышает точность расчетов выработки энергии ВЭУ в конкретной местности.

1.2 Производство электроэнергии с помощью ветроэнергетических установок

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%.

Из (1.2) видно, что энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости. Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветротурбину. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветротурбина оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветротурбину. Это объясняется тем, что поток за ветротурбиной также имеет некоторую скорость (рис.1.2).

Рисунок 1.2 – Действие силы ветра на ветротурбину

На рис. 1.2 A1 – площадь, ометаемая ветротурбиной, А0 и А2 – площади поперечных сечений проходящего через ветротурбину ветрового потока соответственно до и за ним. Причем сечение А0 расположено за пределами возмущенной ветротурбиной области, а сечение А2 – в месте наименьшей скорости потока. Положение площади сечений А0 и А2 можно определить по результатам экспериментальных измерений поля скоростей в окрестности ветротурбины. Непосредственно в сечении А1 провести такие измерения невозможно из-за вращения ветротурбины.

Скорость потока за ветротурбиной не может быть равна нулю и наилучший режим работы ветродвигателя имеет место, когда скорость непосредственно за ветротурбиной составляет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ветротурбину.

Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветротурбиной, называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра СР.

Тогда мощность воздушного потока за ветротурбиной будет равна:

                                                                            (1.5)

В лучших промышленных аэрогенераторах коэффициент мощности достигает 0,4. Коэффициент мощности СР характеризует эффективность использования ветрогенератором энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветротурбиной площадь А1.

Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ветроустановок в рамках единой энергосистемы и достаточно мягкие при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано много проектов ветроэлектрических установок, включая и генераторы к ним, но в будущем с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, несомненно, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ.

При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать следующие их особенности:

1) для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения;

2) механические системы управления частотой вращения ветротурбины достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора;

3) оптимальная частота вращения ветротурбины тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом не более 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветротурбины приходится использовать повышающие редукторы, удорожающие ветроустановку и ее обслуживание. Альтернативой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения;

4) в конструкции ветроэлектрической установки предусматривается, как правило, возможность отключения генератора от ветротурбины и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии, поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветротурбины. При отсутствии такой связи даже при “мягком” соединении генератора с ветротурбиной необходимы специальные демпфирующие устройства, дли того чтобы исключить механические удары, перегрузки и броски напряжений на выходе генератора.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ. а именно:

а) наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных районах, на островах и в море. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных районах;

б) анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5 – 10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами;

в) энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 33 кВ), при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно;

г) так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения
перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы
энергии или быть запараллеленными электроэнергетическими установками других типов.

Совершенно очевидно, что развитие ветроэнергетики будет стимулировать прогресс во всей электроэнергетике.

1.3 Классификация ВЭУ

Современные ВЭУ – это комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающейся ветротурбины, а затем в электрическую энергию.

Основными классификационными признаками структур ВЭУ являются:

- соотношение мощности ВЭУ и мощности энергосистемы;

- тип применяемой ветротурбины;

- тип применяемой электромашины.

1.3.1 Классификация по соотношению мощности ВЭУ и мощности энергосистемы

Согласно этой классификации ВЭУ делятся на три класса.

Класс А. К этому классу относятся ВЭУ, неподключенные к единой энергосистеме. В зависимости от применения, такие ВЭУ обычно комплектуются небольшими аккумулирующими (электроаккумулирующими) устройствами. Частота выходного напряжения, как правило, не стабилизирована. Они применяются в основном для освещения, электропитания сигнальных устройств и средств связи. Мощность таких ВЭУ не более 5 – 10 кВт.

Класс В. Мощность этих ВЭУ соизмерима с мощностью сети. Как правило, такие ВЭУ входят в состав локальных энергосистем отдельных районов, например, островных, отрезанных от основной энергосистемы естественными препятствиями: морем, болотистой местностью и т. д. Наиболее экономично в этом случае комбинированное применение ВЭУ с дизельэлектростанциями. При этом ВЭУ рассматриваются как средство экономии дизельного топлива. Параметры выходного напряжения в таких системах достаточно стабильны. В системах класса В более эффективно применение больших аккумулирующих устройств и сооружений, таких как водородные аккумуляторы и небольшие гидроаккумулирующие станции.

Класс С. Мощность сети значительно превышает установленную мощность ВЭУ. Такие ВЭУ относятся к системной ветроэнергетике. Они способны оказать влияние на состояние энергетического баланса большого региона или даже страны. В классе С целесообразно применение ВЭУ с установленной мощностью от 100 кВт до нескольких мегаватт. При этом обостряются проблемы, связанные с геометрическими размерами, возникают напряженные режимы работы механических частей.

В этом классе возможно достижение наилучших технико-экономических показателей. При случайном характере скорости ветрового потока и потребления электрической энергии необходимо соблюдение баланса мощности. В классах А и В для этой цели необходимы аккумулирующие, либо дополнительные генерирующие устройства, а их стоимость соизмерима со стоимостью ВЭУ. В классе С баланс мощности осуществляется за счет энергосистемы, что значительно экономичнее. Таким образом, наименьшей удельной стоимости ВЭУ можно достичь именно на пути развития системной ветроэнергетики.

1.3.2 Классификация по типу применяемой ветротурбины

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов (рис. 1.3): горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Рисунок 1.3 – Основные виды ветродвигателей

В состав ветродвигателя обоих типов входят следующие основные части:

- ветроколесо (ветротурбина, ротор) – преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором – обычно переменная. Ветроколесо содержит лопасти, которые закрепляются в ступице ветроколеса;

- мультипликатор (редуктор) – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

- башня или мачта (ее иногда укрепляют стальными растяжками) – служит для размещения головки с ветроколесом и мультипликатора на ветер на некоторой высоте относительно уровня земли, что необходимо для производительной работы ветродвигателя и соблюдения требований техники безопасности. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;

- основание (фундамент) – предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. [1]

Ветротурбина с горизонтальной осью (рис. 1.4, а). Рассмотрим горизонтально-осевые ветротурбины пропеллерного типа. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветротурбина должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.

а)

б)

Рисунок 1.4 – Классификация ветротурбин: а) – с горизонтальной осью; б) – с вертикальной осью: 1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – трехлопастное; 4 – многолопастное; 5 – ротор Савониуса; 6 – ротор Дарье

В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехлопастные ветротурбины (рис.1.4), последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни в поворотной головке, В принципе их удобнее размешать внизу, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения. Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью (рис. 1.4, б). Ветроэлектрогенерагоры с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.

Принципиальными недостатками таких установок являются: 1) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов; 2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются. [4]

Промышленностью выпускаются ветродвигатели двух типов: тихоходные многолопастные и быстроходные малолопастные. Отличительной особенностью тихоходных многолопастных ветродвигателей является способность их трогаться с места, т. е. начинать работать с подключенной нагрузкой при сравнительно слабом ветре, что объясняется наличием большого крутящего момента. Эти двигатели хорошо используют малые скорости ветров, но плохо поддерживают постоянное число оборотов, поэтому они не могут применяться там, где требуется постоянство числа оборотов, как, например, для электроосвещения, но хорошо работают на приводе поршневых насосов с постоянным включением нагрузки. Из-за громоздкости ветроколеса тихоходные ветродвигатели не могут быть изготовлены мощными.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5