Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема:

Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

Содержание:

Введение

.   Схема ВЭС

.1 Устройство

1.2    Принцип работы

.3      Виды испытаний ВЭС

2. Роза ветров

3.      Сила ветра в баллах по шкале Бофорта и морское волнение

.        Воздушные потоки и течения в Охинском районе

.        Требования, предъявляемые к месту установки ВЭС

.        Исходная информация

.        Выбор генератора

.        Расчет срока окупаемости

.        Технико-экономические показатели

.        Расчет выбора кабеля

.        Классификация и быстроходность ВЭС

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Целью курсовой работы является проектирование ветроэнергетической установки на котельной № 16 п. Восточное Охинского района. На побережье п. Восточное дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой - с остывшего побережья к водоёму.

Проектирование ВЭС в данном районе является целесообразно. Благодаря тому, что мы живём на севере Сахалина, и здесь преобладают постоянные ветра (а ветер неисчерпаемый источник энергии и при его преобразовании нет вредных выбросов в окружающую среду).

В Охинском районе кроме ТЭЦ, никаких альтернативных источников поставки электроэнергии не существует, то мой проект является уместным для постройки ВЭС в п. Восточное.

В сравнении с электростанциями, работающими посредством использования бензинового (бензогенераторы) или дизельного топлива (дизель генераторы), применение ветряных электростанций в долгосрочной перспективе обойдется намного дешевле, к тому же ветрогенераторы не загрязняют окружающую среду вредными выбросами ввиду их полного отсутствия.

Ветряные электростанции также отличаются и автономностью, что позволяет использовать их в удаленных местах.

К основным же недостаткам же ветрогенераторов можно отнести повышенный шум, создание помех радиосигналам и нестабильность получаемой энергии ввиду изменения скорости ветра.

Однако проблемы связанные с работой ветроэлектростанций успешно разрешаются. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. А также рассматриваемый участок, то есть котельная №16 п. Восточное находится на достаточном расстоянии от жилой местности, что позволяет постройку ВЭС осуществить далеко от жилых домов и, следовательно, это не создаст никаких проблем проживающим в п. Восточное.

1. Схема Ветроэнергетической установки

Аккумуляторы:

В этом комплексе практически отсутствуют большие перерывы в использовании электроэнергии, а постоянные ветра поддерживают равномерный уровень заряда аккумуляторов.

В этом случае необходимы аккумуляторы, которые будут являться своеобразным «буфером» между генератором и инвертором. Их главная задача будет состоять в стабилизации и выпрямлении напряжения, а не накоплении электроэнергии.

Инвертор:

Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты, можно установить инвертор определенной мощности. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку и пусковые токи.

Устройство

1. Лопасти турбины

2.      Ротор

.        Направление вращения лопастей

.        Демпфер

.        Ведущая ось

.        Механизм вращения лопастей

.        Электрогенератор

.        Контроллер вращения

.        Анемоскоп и датчик ветра

10. Хвостовик Анемоскопа

11. Гондола

12.    Ось электрогенератора

.        Механизм вращения турбины

.        Двигатель вращения

.        Мачта

Принцип работы ВЭС

Все ветроэлектростанции работают по одному принципу: преобразуют линейную скорость ветра в угловую скорость вращения оси ветрогенератора. Генератор ветроэлектростанции преобразует вращательное движение в электроэнергию.

Для промышленной ветроэлектростанции все аналогично, только присутствуют системы слежения за направлением и скоростью ветра, которая направляет лопасти в сторону ветра и прекращает их работу в случае превышения допустимых скоростей, системы слежения за состоянием ветрогенератора и системы защиты от молний.

Мачта ветроэлектростанции часто заменяется на башню, напоминающую маяк.

Направленный поток воздуха вращает лопасти ротора. Эффективность ветроэлектростанций все время увеличивается с появлением новых материалов и систем трёхмерного проектирования.

Затем ротор передает вращение на генератор, который подает выработанное электричество через контроллер на аккумуляторы.

Инвентор преобразует электричество в пригодное для использования.

Виды испытаний ВЭС

ВЭС подвергаются следующим основным видам испытаний:

-  приемосдаточным;

-       периодическим;

-       типовым;

-       испытаниям на надежность.

На приемосдаточные испытания ВЭС предъявляют с сопроводительной документацией в установленном на предприятии-изготовителе порядке. Испытаниям подвергается каждая ВЭС с целью определения возможности ее приемки и поставки. В объем испытаний входит проверка комплектности, соответствия изделия конструкторской документации, проверка консервации и упаковки, сопротивления изоляции и электрической прочности. Результаты проверок оформляются протоколом.

Периодические испытания проводят с целью контроля качества ВЭС, стабильности технологического процесса производства в период между предшествующими и очередными испытаниями и подтверждения возможности продолжения изготовления ВЭС и их приемки. Периодические испытания проводит комиссия, назначенная руководством предприятия-изготовителя с участием Заказчика.

Комплектация выбранных для испытаний образцов производится по методу случайных чисел в соответствии с ГОСТ 18231. При обнаружении несоответствия ВЭС требованиям ТУ производится приостановка поставок, анализ причин и устранение дефектов, а также повторные испытания на удвоенном количестве образцов. При положительных результатах повторных испытаний приемка и отгрузка ВЭС возобновляется.

Если повторные испытания дают отрицательный результат с обнаружением несоответствий требованиям ТУ, то всю партию ВЭС бракуют.

Типовые испытания проводят с целью оценки эффективности и целесообразности изменений, вносимых в конструкцию ВЭС. В программу типовых испытаний должны входить проверки характеристик и параметров, на которые могли повлиять изменения, вносимые в конструкцию и технологию изготовления ВЭС со времени предыдущих испытаний.

Результаты типовых испытаний оформляются актом, на основании которого принимается решение о целесообразности серийного производства ВЭС с внесенными конструктивными или технологическими изменениями.

Испытания на надежность проводятся с целью контроля показателей надежности на соответствие требованиям ТУ с определением возможности продолжения серийного выпуска ВЭС.

Контрольные испытания на надежность должны проводиться в рамках программы периодических и типовых испытаний, а также как самостоятельные испытания ВЭС в летний период наблюдений за местностью, где установлена ВЭС.

Экстремальные условия должны учитываться при конструировании и в процессе сертификационных испытаний.

К характеристикам экстремальных условий относят:

-  максимальную скорость ветра;

-       максимальную величину ледовой нагрузки;

-       повреждения от ударов града;

-       предельные значения температуры;

-       воздействие грозовых разрядов;

-       сейсмические воздействия.

2. Роза ветров

Роза ветров - векторная диаграмма, характеризующая режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям.

Векторная диаграмма, характеризующая режим ветра в данном пункте, с длинами лучей, расходящихся от центра в разных направлениях относительно стран света, пропорциональными времени действия ветра в этих направлениях

На рис. представлена роза ветров Охинского района по результатам измерений за 2000 г., рассмотрение которой позволяет сделать следующие выводы: наибольшую продолжительность действия ветра имеют юго-восточное направление 150-180°(15,23% времени года) и северо-западное 330-360°(11,42% времени года). Наименьшую длительность ветров имеют ветра восточного направления.

Для полноты описания ветровых условий места построения ВЭС необходимо также определить продолжительность действия ветра в различных направлениях. Представляет интерес также анализ максимальных значений скорости ветра (двухсекундные величины).

Результаты измерений среднемесячных значений скорости ветра с использованием среднечасовых наблюдений за период 1997 по 2002 г. приведены в таблице:

Среднемесячные скорости ветра в период с 1997-2002 г.

Из таблицы следует, что метеостанции за 5 лет непрерывных измерений зарегистрировали среднегодовую скорость на уровне 16-18м. от земли равную 3,15 м/с, а на высоте 33м. за два года наблюдений - 3,86 м/с.Распределение значений среднегодовых скоростей ветра на высоте 10 м по территории России

3. Сила ветра в баллах по шкале Бофорта и морское волнение

4. Воздушные потоки и течения в Охинском районе

Большое влияние на климат оказывают огромные водные пространства, окружающие острова, холодное Охотское течение, идущее вдоль восточного побережья Сахалина, и тёплое - Цусимское, достигающее юго-западного берега острова, а так же гористый рельеф и близость Азиатского материка. Несмотря на то, что Курильские острова расположены между широтами Киева и сочи, климат здесь довольно суров и неустойчив, особенно в северной части. Это определяется тем, что Курильские острова расположены между Охотским морем и Тихим океаном, а так же близостью холодного течения Оясио.

Господствующее направление воздушных потоков меняется 2 раза в год вместе со сменой центров атмосферного давления. Зимой холодные массы воздуха с материка устремляются к океану. Поэтому на Сахалине и Курильских островах в это время преобладают северные и северо-западные ветры, стоят крепкие морозы. А летом, охлаждённые воздушные массы движутся в обратном направлении, и, проходя над островами, приносят много осадков, поэтому лето здесь прохладное и влажное. Годовое количество осадков на Сахалинской области достигает одной тысячи и более миллиметров. Правда, осадки выпадают далеко не равномерно.

. Требования, предъявляемые к выбору места размещения ВЭС

. Выбор мест размещения ВЭС должен производиться в районах с благоприятными ветровыми условиями, обеспечивающими экономическую целесообразность использования энергии ветра.

В районах со среднегодовыми скоростями ветра от 6 м/с и выше использование энергии ветра становится выгодным для ВЭС любого назначения в широком диапазоне мощностей.

Проектирование ветроэнергетических систем для районов со среднегодовыми скоростями ветра ниже 6 м/с требует дополнительного обоснования с расчетом ожидаемой выработки энергии и ее сопоставления с данными потребности и оценкой приемлемости полученных результатов по экономическим показателям для конкретных потребителей.

. Наиболее благоприятными местами считаются возвышенные и равнинные участки, места, близкие к морским побережьям, долинам больших рек и водоемов.

Следует избегать мест с вогнутой формой рельефа, а также мест вблизи леса, жилых домов и производственных объектов, которые могут помешать беспрепятственному подходу воздушных масс к ветроустановке.

При этом необходимо обратить особое внимание на исключение помех на пути ветра в направлениях, несущих преобладающую часть энергии.

. Проект должен предусматривать размещение ВЭС на огражденной территории, недоступной для посторонних лиц. В противном случае должно быть предусмотрено возведение ограждения вокруг ветроагрегата, причем входная дверь ограждения должна быть закрыта на замок, и на ней, а также на башне ветроагрегата должны быть установлены предупреждающие плакаты техники безопасности.

4. Ветроустановка должна быть удалена от жилых помещений, лечебных учреждений, школ и домов отдыха на расстояние, обеспечивающее снижение уровня шума, создаваемого работающей ВЭС, до уровня 45 дБ.

. Место для сооружения ветроустановок должно находиться вне отведенной территории расположения железных дорог и автомобильных трасс, линий электропередач, магистральных газопроводов, кабельных и водопроводных трасс.

. Ветроустановки не должны устанавливаться на пути основных трасс перелетных птиц, а также размещаться вблизи их массовых гнездовий.

7. Выбранное место для сооружения ветроустановок должно быть согласовано с местной администрацией района размещения ВЭС.

Исходя из требований предъявляемых к выбору места размещения выбранной мною ветроэнергетической установки, по всем критериям подходит, так как котельная №16 п.Восточное находится на достаточно далеком расстоянии от жилых домой, школьных и дошкольных учреждений, что позволяет нам построить данную ветроэнергетическую установку.

6. Исходная информация

Определение количества электроэнергии, требуемого для выработки теплоты по ООО «Восточное» на 2009г.

Расчет выполнен в соответствии с «Методическими указаниями по определению, расходов топлива, электроэнергии и воды на выработку теплоты отопительными котельными коммунальных теплоэнергетических предприятий» ГУП Академия коммунального хозяйства им. К.Д.Панфилова 2002г.

Общее количество электроэнергии, потребляемой ООО «Восточное» за год:

Э=318472+63233+24000+9669=415401 кВт*ч

Данные расчета в таблицах №1 и №2

Таблица 1

Расчет количества электрической энергии на технологические нужды:

ветроэнергетический установка ветровой генератор

Таблица 2

Расчет количества электроэнергии на освещение

Наименование

Кол-во (шт.)

Мощность (кВт)

Число (ч)

Расход (кВт*ч)

16

ДРЛ

2

0,4

4800

3 840

ЛБ

10

0,04

4800

1 920

ЛБ

10

0,08

4800

3 840

Лампа накаливания

20

0,15

4800

14 400

7. Выбор генератора

п. Восточное:

На основании исходных данных таблицы №1 производим расчёт суммарной мощности, на котельной №16 с учётом потребляемой электрической нагрузки:

∑ Р расч = 38,5+52,5+3,2+3,2+5,3+10,5+10,5+0,4+0,04+0,08+0,15*0,1

=126 кВт

Исходя из полученных расчётов, выводим необходимую мощность генератора с учётом 10% перегрузки от суммарной мощности:

Р г. = ∑Ррасч +10% =126+10%=140 кВт

По найденной мощности генератора, выбираем необходимую нам ветроустановку:

Ветрогенератор - Daewoo; Компания «Прогрессивные Энерготехнологии». Прямые контракты, собственные разработки, гарантия. Доставка по России. Ветрогенератор (Ветряная электростанция, ветряк) от 3 кВт до 150 кВт

.   Поставщик: Алтайский край, Барнаул; 2.

2.      Максимальная мощность генератора (Вт) - 150000

.        Напряжение генератора (В) - 380;

.        Диаметр ротора (м) - 14

.        Начальная скорость ветра (м/с) - 3.5;

.        Номинальная скорость ветра (м/с) - 11

.        Высота мачты с растяжками: 18 м;

.        Количество лопастей: 3 шт.

.        Выдерживает ураганный ветер: до 25 м/с

Материал: корпуса - сталь; лопастей - стекловолокно

Вес: 3550 кг; Стоимость: 750 000 руб

Ветрогенератор (ветряная электростанция) от 3 до 150 кВт

8. Расчет срока окупаемости

За год в ООО «Восточное» потребляется 264 516 кВт*ч, а 1 кВт электроэнергии для предприятий в настоящее время составляет 2,52 руб., следовательно, можно определить срок окупаемости этого ветрогенератора:

ТОК = П/Пч Пч = П - З,

П - прибыль предприятия без вычета затрат на покупку ВЭС

Пч - чистая прибыль предприятия

З - затраты вложенные на покупку ВЭС (750 тыс. руб.)

Нормативный срок окупаемости равен 6,7 лет.

П=6,7*264516*2,52=4466088,1руб.

Пч.=4466088,1-750000=3716088,1руб.

ТОК=4466088,1/3716088,7=1,3 лет

Из проделанных расчетов следует, что срок окупаемости ВЭС меньше нормативного срока (6,7), значит покупка данной ВЭС является эффективной.

9. Технико-экономические показатели ВЭС

Критерием целесообразности применения ветроэнергетической установки ВЭC Daewoo (г. Барнаул, Алтайский край.), является годовой экономический эффект, который зависит от ветровых условий места применения и стоимости топлива.

За базу сравнения при расчете экономического эффекта, получаемого от ВЭC Daewoo, предназначенного для выработки электроэнергии, принят генератор Р=150кВт. Выбор этого агрегата в качестве базы сравнения произведен с учетом соизмеримости мощности и того, что этот агрегат получил распространение на генератор-электрический станциях, удаленных от централизованных линий электропередач. На практике вопрос о применении ВЭС в качестве энергоисточника возникает при необходимости увеличения производства электроэнергии. Что выгоднее - ввести в действие еще один генератор-электрический агрегат или использовать, ВЭC Daewoo, которая позволит увеличить производство электроэнергии, не поднимая вопрос о дополнительном завозе топлива?

Поскольку цены на ветроагрегаты, топливо резко выросли и существенные изменения произошли в оплате труда за обслуживание ветроустановок, расчет необходимо повторить с учетом новых условий.

В настоящее время десятки фирм в разных странах производят ветроагрегаты мощностью 3-150 кВт по оптовой цене на уровне 1 тыс. долл. США за 1 кВт установленной мощности. Следовательно, в современных условиях оптовая цена ВЭС мощностью 150 кВт составляет 150 тыс. долл., а в рублевом эквиваленте -5100 тыс. руб. (по состоянию на апрель 2005 г.). С учетом дополнительных расходов на доставку и монтаж ВЭС в условиях вечной мерзлоты ее балансовая стоимость составит 10249 тыс. руб.

Согласно ТУ на ВЭC Daewoo трудоемкость обслуживания агрегата в период эксплуатации составляет 32 чел.-ч в год.

Оптовая цена ВЭC Daewoo по данным 2004 г. составляет 750 тыс. руб. С учетом дополнительных расходов на доставку и монтаж в процентах от оптовой цены (48%) балансовая стоимость ВЭC Daewoo составит 111 тыс. руб. Затраты времени на обслуживание ветрогенератор определены согласно ГОСТ 10032-80 для ВЭС 1-й степени автоматизации (1875 ч/год).

Современная ветроэнергетика развивается в основном по одному направлению, которое связано с разработкой и применением ВЭС малой мощности (от 1 до 150 кВт), используемых преимущественно для работы в автономном режиме электроснабжения. С помощью таких установок можно обеспечить электроснабжение как отдельных сельских домов, так и целых поселков, поднимать воду из открытых водоемов, шахтных колодцев и буровых скважин, опреснять воду, производить тепло, заряжать аккумуляторы. В случаях, когда ветровые условия не позволяют полностью обеспечить потребности потребителей за счет энергии ветра, в дополнение к ВЭС применяются резервные источники электроснабжения: фотоэлектрические батареи, бензо- или дизель-электрические агрегаты и аккумуляторные батареи. Диаметр ветроколес ВЭС малой мощности обычно колеблется в пределах от 3 до 25 м.

Массовому использованию энергии ветра в настоящее время препятствует высокий уровень капиталовложений, который требуется для реализации строительства ветроагрегатов и ветроустановок различного назначения. Добиться снижения капиталовложений можно за счет применения ветроколес высокой быстроходности и максимального упрощения конструкции. Стоимость ветроагрегатов в значительной мере определяется их материалоемкостью. В табл. приведены данные по массе и удельной материалоемкости ряда образцов ветроагрегатов малой мощности, имеющих различный диаметр ветроколес.

10. Расчет выбора кабеля

.   Определим время использования максимальной нагрузки (Тмах.)

Тмах=4466088,1/150=29774 ч.

.   Экономическая плотность тока равна 1,1

I=150000/1,73*380=150000/657,4=228 А

.   Экономическое сечение провода

Fэ=228/1,1=207

По справочнику «Расчет и проектирование электроснабжения; Справочные материалы по электрооборудованию» выбираем табл. 3.8 «Токовая нагрузка на силовые кабели с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в земле» выбираем алюминиевый 3х жильный до 3 кВ провод с экономическим сечением = 207 , следовательно, из проделанных расчетов получаем сечение провода S=70 мм²

11. Классификация выбранной установки

В зависимости от диаметра и количества лопастей обороты ветроколеса при одной и той же скорости ветра будут разные. Этот показатель называется быстроходностью ветроколеса и определяется отношением окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.

Z = L * W / 60 / V

где: W - частота вращения ветроколеса (об/мин.)V - скорость ветра (м/с.)L - длина окружности (м.)Z - быстроходность конструкции ветроколеса.

Но так как первоначально мы не знаем частоту оборотов ветроколеса, которые зависят от его исполнения. При прохождении ветра через лопасти, остается возмущенный след который тормозит вращение ветроколеса. И поэтому чем лопастей больше, тем быстроходность становится меньше. Поэтому, чтобы ориентировочно рассчитать обороты ветроколеса, возьмем за основу быстроходность (Z), установленную практическим путем для ветроколес с разным количеством лопастей:

лопастное ветроколесо Z = 73 лопастное ветроколесо Z = 5

И по приведенной ниже формуле рассчитаем обороты ветроколеса:

= V / L * Z * 60

Заключение

В данном курсовом проекте я рассмотрела проектировку ветроэнергетической установки для п. Восточное, с целью снабжения необходимой энергией данного поселка.

Мною были проведены расчёты:

выбор необходимого генератора

выбор кабеля

расчёт срока окупаемости

выбраны ветровые характеристики

определены ветровые характеристики

В заключении, я могу сказать, что постройка ВЭС в данном районе является целесообразна. Благодаря тому, что мы живём на севере Сахалина, и здесь преобладают постоянные ветра (а ветер неисчерпаемый источник энергии и при его преобразовании нет вредных выбросов в окружающую среду), и в рассматриваемом Охинском районе кроме ТЭЦ, никаких альтернативных источников поставки электроэнергии не существует, то мой проект является уместным для данного участка.

Выбранная мною ветроэнергетическая установка Daewoo мощностью 150кВт может иметь большой спрос во многих регионах России. Данная ветроэнергетическая установка может обеспечить несколько жилых домов.