Расчет ветроэнергетической станции
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное
государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Санкт-Петербургский
государственный университета эрокосмического приборостроения»
Кафедра №32
технической физики, электромеханики и робототехники
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ
РАБОТЕ
«Расчет ветроэнергетической станции»
по дисциплине: Нетрадиционная
электромеханика
Выполнил
студент гр.3126
Калошин А.А
Санкт-Петербург
2015
Введение
В данной работе будет произведен частичный расчет ветроустановки,
обеспечивающей основную подачу электроэнергии для поселка.
Энергия ветра - это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока
светит Солнце, будут дуть и ветры. Технический потенциал ветровой энергии
России оценивается свыше 50 000 миллиардов кВт·ч/год. Экономический потенциал
составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства
электроэнергии всеми электростанциями России.
Что же представляют собой ВЭС, которым отводится серьезное место в
энергетике XXI века? Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух
типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие
оригинальные конструкции.
Крыльчатые ВЭС - их еще называют ветродвигателями традиционной схемы -
представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Их
наибольшая эффективность достигается, когда ветровой поток действует
перпендикулярно плоскости вращения лопастей. Поэтому в конструкции
предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС -
крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть, - электронная
система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока
соединяют с ветрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции
оснащают редуктором.
Более перспективными, в связи с указанными проблемами крыльчатых ВЭУ,
считаются карусельные ВЭУ с вертикальной осью вращения. Они не требуют
ориентации по воздушному по току, что особенно важно для типичной ситуации
«рыскающих» приземных воздушных потоков, обеспечивают при тех же размеpax
ветроколеса больший момент вращения, при изменениях скорости ветра быстро
наращивают силу тяги.
К недостаткам карусельных ВЭУ относят прежде всего их «тихоходность», т. е.
необходимо применение для выработки электроэнергии специальных низкооборотных
многополюсных электрогенераторов либо повышающих обороты редукторов, снижающих
КПД.
Ветроэнергетика привлекательна не только тем, что не наносит вреда
природе. ВЭС можно достаточно быстро установить там, где других источников
энергии нет. Однако приходится констатировать, что работа ветроагрегатов
сопровождается некоторыми неприятными явлениями. Главное из них - шум. На
уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью более 100
кВт уровень шума превышает 50 дБ. Система управления углом атаки способна
уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается.
Помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный
инфразвук частотой 6-7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в
окнах и посуда на полках. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач.
Однако проблемы связанные с работой ветроэлектростанций успешно
разрешаются. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором
скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря
этим мерам уменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров.
Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали
под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.
1. Задание на проектирование
Для выбранного региона рассчитать и выбрать ветроэнергетическую
установку(ВЭУ), обеспечивающую основную подачу электроэнергии с необходимым
качеством, напряжением 220 и 380 В и частота 50 Гц для коттеджного поселка.
.1 Расчет потребителей
Таблица №1. Расчёт количества электрической энергии на дом
|
Потребитель
|
Кол-во, шт.
|
Мощность, кВт
|
Время работы, ч
|
Суточное потребление, кВт.ч
|
|
Освещение (лампа 15 Вт)
|
20
|
0,1
|
10
|
20
|
|
Холодильник
|
1
|
0,3
|
24
|
7,2
|
|
Стиральная машина
|
1
|
2,5
|
1.5
|
3,75
|
|
Посудомойка
|
1
|
0,6
|
2
|
1,2
|
|
Пылесос
|
1
|
1.5
|
0,5
|
0.75
|
|
Чайник
|
1
|
1,2
|
1.5
|
1.8
|
|
Телевизор
|
3
|
0,3
|
8
|
7.2
|
|
Вытяжка
|
1
|
0,2
|
1
|
0,2
|
|
Электрическая плита
|
1
|
3
|
15
|
|
Компьютер
|
1
|
0,25
|
12
|
3
|
По данным таблицы 1 рассчитаем суточное потребление 1 дома
Pc=20+7,2+3,75+1,2+0.75+1,8+7,2+0,2+15+3=60,1
Число домов в населенном районе - n = 70.
На сопутствующую инфраструктуру (магазины, посты охраны, пункт неотложной
помощи, частная школа и пр.) приходится 30 % энергопотребления.
Суточное энергопотребление района с учетом инфраструктуры
.3*Pc*n=1,3*60,1*70=5470 кВт*ч
аккумулятор
кабель ветрогенератор энергопотребление
Таблица 2 - Энергопотребление поселка повремени суток
|
Время суток (час)
|
Потребление энергии, кВт
|
Время суток (час)
|
Потребление энергии, кВт
|
|
0
|
75
|
12
|
200
|
|
1
|
70
|
13
|
202
|
|
2
|
80
|
14
|
210
|
|
3
|
80
|
15
|
215
|
|
4
|
75
|
16
|
200
|
|
5
|
85
|
17
|
230
|
|
6
|
90
|
18
|
300
|
|
7
|
160
|
19
|
340
|
|
8
|
165
|
20
|
400
|
|
9
|
180
|
21
|
430
|
|
10
|
185
|
22
|
350
|
|
11
|
190
|
23
|
100
|
По данным таблицы 2 на рисунке 1 построен график энергопотребления
поселка в сутки.
Рис. 1
Таким образом, в соответствии с данными Атласа ветров России наиболее
перспективными с точки зрения развития ветроэнергетики (красная и фиолетовая
зоны) являются следующие:
|
1. Ставропольский край 2. Мурманская обл. 3. Мордовия 4.
Чувашия 5. Марий Эл 6. Ростовская обл. 7. Калмыкия 8. Челябинская обл. 9.
Курганская обл. 10. Омская обл. 11. Новосибирская обл.
|
13. Приморский край 14. Хабаровский край 15. Магаданская
обл. 16. Камчатский край 17. Ненецкий АО 18. Ямало-Ненецкий АО 19.
Красноярский край 20. Чукотский АО
|
Регионы с желтыми зонами также могут представлять интерес с точки зрения
строительства ветроэлектростанций:
|
1. Дагестан 2. Астраханская обл. 3. Волгоградская обл. 4.
Воронежская обл. 5. Саратовская обл. 6. Орловская обл. 7. Новгородская обл.
8. Псковская обл. 9. Пензенская обл. 10. Нижегородская обл. 11. Ульяновская
обл.
|
12. Удмуртия 13. Кировская обл. 14. Татарстан 15. Самарская
обл. 16. Оренбургская обл. 17. Башкортостан 18. Свердловская обл. 19. Коми
20. Архангельская обл. 21. Республика Саха-Якутия
|
Ветроэнергетическая установка будет рассчитана для коттеджного района
близ города Кандалакша на юго-западе Мурманской области России.
Административный центр Кандалакшского района и городского поселения Кандалакша.
Население коттеджного района - 300 человек, в районе 70 жилых домов.
2.1 Роза
ветров г. Кандалакша
Роза ветров - векторная диаграмма, характеризующая режим ветра в данном
месте по многолетним наблюдениям. Диаграмма представляет собой пучок лучей, исходящих
из одной точки и направленных по румбам горизонта. На каждом луче от центра в
сторону, откуда дует ветер, откладывается в определенном масштабе отрезок,
пропорциональный повторяемости ветра данного направления. Концы отрезков обычно
соединяются прямыми линиями.
Роза ветров в выбранном регионе представлена на рис.1
Роза ветров г.Кандалакша Рис. 2
Таблица №3
Таблица №4
|
Повторяемость направлений ветра(числитель)%,средняя
скорость ветра по направлениям(знаменатель) м/с, повторяемость штилей %
|
|
Январь
|
Июль
|
|
С
|
СВ
|
В
|
ЮВ
|
Ю
|
ЮЗ
|
З
|
СЗ
|
штиль
|
С
|
СВ
|
В
|
ЮВ
|
Ю
|
ЮЗ
|
З
|
СЗ
|
штиль
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13
|
Сила ветра по шкале Бофорта представлена в таблице 5.
Таблица 5 Сила ветра по шкале Бофорта
|
Баллы
|
Характеристика силы ветра
|
Скорость ветра м/сек.
|
Скорость ветра км/час
|
Объективное проявление
|
|
0
|
Штиль
|
0-0,2
|
0-0,7
|
Дым поднимается вертикально
|
|
1
|
Тихий
|
0,3-1,5
|
Дым начинает отклоняться от вертикального положения,
флюгеры, даже самые чувствительные, не вращаются
|
|
2
|
Легкий
|
1,6-3,3
|
5,76-11,9
|
Движение ветра ощущается лицом, шелест листьев, приводятся
в движение флюгеры, ветрогенераторы входят в рабочий режим
|
|
3
|
Слабый
|
3,4-5,4
|
12,24-19,4
|
Листья и самые тонкие ветки деревьев колышутся, развеваются
флаги, установленные на высоте
|
|
4
|
Умеренный
|
5,5-7,9
|
19,8-28,4
|
Ветер поднимает пыль и мелкие бумажки, приводит в движение
тонкие ветви деревьев
|
|
5
|
Свежий
|
8-10,7
|
28,8-38,5
|
Качаются тонкие стволы деревьев диаметром 2 - 4 см, на
морских волнах появляются гребешки, ветрогенераторы выходят на максимальную
мощность
|
|
6
|
Сильный
|
10,8-13,8
|
38,88-49,9
|
Качаются толстые сучья деревьев диаметром 6 - 8 см, слышен
шум ветра в телеграфных проводах
|
|
7
|
Крепкий
|
13,9-17,1
|
50,04-61,6
|
Качаются стволы деревьев в верхней их части, идти против
ветра неприятно
|
|
8
|
Очень крепкий
|
17,2-20,7
|
61,92-74,5
|
Ветер ломает сухие сучья деревьев, идти против ветра очень
трудно
|
|
9
|
Шторм
|
20,8-24,4
|
74,88-87,8
|
Небольшие повреждения; ветер срывает незакрепленные дымовые
колпаки и ветхую черепицу
|
|
10
|
Сильный шторм
|
24,5-28,4
|
88,2 -102,2
|
Разрушения кровельных покрытий и неукрепленных конструкций,
ослабленные деревья вырываются с корнем, автоматическое отключение
ветрогенераторов
|
|
11
|
Жестокий шторм
|
24,5-32,6
|
102,6 -117,4
|
Большие разрушения на значительном пространстве
|
|
12
|
Ураган
|
32,7 и более
|
117,7 и более
|
|
Памятка: 3 - Слабый - 5 м/с (~20 км/час) - листья и тонкие ветки деревьев
непрерывно колышутся;5 - Свежий - 10 м/с (~35 км/час) - вытягивает большие
флаги, свистит в ушах; 7 - Крепкий - 15 м/с (~55 км/час) гудят телеграфные
провода, трудно идти против ветра; 9 - Шторм - 25 м/с ( 90 км/час) - ветер
валит деревья, разрушает строения
2.2 Оценка скорости ветра в регионе
Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество
энергии, которое ветрогенератор может преобразовать в электроэнергию. Большая
скорость ветра увеличивает объем проходящих воздушных масс. Поэтому с
увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной
ветроэлектроустановкой.
Для оценки увеличения скорости ветра от высоты
применяется расчетная формула
где:
и 
- известные значения скорости ветра (м/с) на исходной высоте
(м);
- запланированная высота (м);
- определяемая скорость ветра (м/с);
- эмпирический показатель степени
0.14.
V=5.7*(20/10)^0.14=6.28
м/с
Природные ветровые условия постоянно изменяются, меняется также и
скорость ветра. Конструкция ветрогенератора рассчитана для работы при скорости
ветра в диапазоне 3 - 30 м/сек. Более высокая скорость ветра может разрушить
ветряк, поэтому большие ветрогенераторы оснащены тормозами.
3. Выбор
генератора
Основными условиями подбора ветрогенератора и сопутствующего оборудования
являются: количество электроэнергии, необходимое объекту ежемесячно кВт
ч; желаемое время автономной работы
ветроэнергосистемы в безветренные периоды (данный параметр будет определять
количество и емкость аккумуляторных батарей); максимальная нагрузка на сеть в
пиковые моменты (данный параметр будет определять мощность инвертора
переменного тока). Рассчитаем среднее ежечасное потребление:
Wср = Pс/n =
5470/24 = 228кВт/ч
Где
Pс - суточное потребление [кВтч];- число часов в сутках.
Выбираем
генераторы производителя EuroWind
Модель
EuroWind100 в количестве 8 штук
Эта
ветроустановка предназначена для регионов с высоким ветропотенциалом.
Преимущественное использование в варианте с сетевым инвертором для отдачи
выработанной электроэнергии в государственную сеть.
Производительность ветрогенератора:
|
Месячная выработка энергии
|
23000 кВт в месяц при средней скорости ветра 8 м/с
|
|
Производительность генератора
|
0-110000 Вт
|
|
Напряжение ветрогенератора
|
380 Вольт
|
|
Максимальная сила тока
|
230 Ампер
|
|
Рекомендуемые аккумуляторы
|
400 шт. 12В 200Ач
|
|
Напряжение после инвертора
|
380 Вольт 50 Гц
|
Характеристики ветрогенератора
|
Количество лопастей
|
3 шт.
|
|
Диаметр ротора
|
18 метров
|
|
Материал лопастей
|
FRP (композитный материал - фибергласс)
|
|
Тип ветрогенератора
|
PMG (на постоянных магнитах)
|
|
Защита от ураганного ветра
|
AutoFurl (автоматическая)
|
|
Высота мачты
|
25 метров
|
|
Контроллер заряда
|
AIC (автоматический)
|
|
Рабочая температура
|
от -40 до +60 C
|
.1 Выбор периферийного оборудования
. Выбор инвертора.
Рассчитаем максимальную пиковую мощность на ВЭС
Где: n - количество домов
- пиковая мощность одного дома
Пиковая мощность на 1 ветрогенератор
где: m - количество ветрогенераторов
Выбираем промышленный однофазный инвертор мощностью 110 кВт
2 Выбираем
аккамуляторы LEOCH DJM12200
В количестве 3200 штук
Технические характеристики аккумуляторов:
|
Страна
|
Китай
|
|
Название
|
LEOCH DJM12200
|
|
Напряжение, В
|
12
|
|
Емкость, Ач
|
200
|
|
Длина, мм
|
522
|
|
Ширина, мм
|
240
|
|
Высота, мм
|
218
|
|
Высота с клеммой, мм
|
224
|
|
Вес, кг
|
61,0
|
|
Срок службы, лет
|
12
|
|
Гарантия, мес.
|
12
|
|
Тип клеммы
|
Резьба под болт М8
Рисунок 3 - Блок схема ВЭУ
Ветроэлектроустановки (ВЭУ) преобразуют кинетическую энергию ветра в
электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ветряков
используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы,
подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей
конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в
электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива.
Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных
потоков с лопастями ветряка, через систему трансмиссии передается на
электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать
эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может
использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться в
аккумуляторах для более позднего использования.
Лопасти - компонент ветряка "захватывающий" ветер.
Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом.
Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач -
трансмиссию.
Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через
ведущий вал на генератор, который и вырабатывает электроэнергию.
Все системы мощной ветроэлектроустановки контролируются и управляются с
помощью компьютера, который может находиться на удалении от ветряка. Система
контроля угла наклона лопастей "разворачивает" лопасти под углом,
нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля
направления оси ротора ветрогенератора разворачивает ветряк по направлению к
ветру в горизонтальной плоскости.
Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на
генераторе при изменении скорости ветра. Генератор, работающий при различных
скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы
ветрогенератора.
Система
заряда аккумуляторов.
Выбор аккумулятора для ветряка зависит от продолжительности периода
безветрия. Из-за того, что иногда очень трудно заранее точно определить
количество последовательных безветренных дней, аккумулятор ветряка должен быть
рассчитан на большее число дней.
Рис.4. Схема зарядки
Рисунок 5. Схема электроснабжения потребителей от ветрогенератора
Данная система состоит из: генераторов, контроллеров, аккумуляторов,
аппаратов защиты, коммутационных аппаратов и инверторов.
Схема предусматривает бесперебойное снабжение потребителя электроэнергией
за счет наличия аккумуляторов (АКБ). Полученная энергия через контролер
поступает на заряд АКБ. От АКБ напряжение поступает на инвертор, который
преобразует постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В с частотой 50 Гц.
4. Расчёт выбора кабеля
Расчет кабеля
Ток кабеля
при максимальной мощности:
 А
где: - номинальное напряжение ветрогенератора
 - пиковая мощность
Экономическое сечение провода
где: J - предполагаемая плотность тока
(3А/мм)
Выбираем силовой кабель с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемый
в земле в свинцовой оболочке при  = 766 10 жил до 1 кВ
5.
Расчёт срока окупаемости
 - срок окупаемости ВЭС ;
P -
прибыль предприятия без вычета затрат на покупку ВЭС в год (рассчитывается как
произведение стоимости кВт∙ч энергии в рассматриваемом районе на годовое
потребление);
Z -
затраты вложенные на покупку ВЭС ;
 - эксплуатационные издержки за весь срок службы (25%).
Стоимость электроэнергии в городе Кандалакше составляет 5 руб/кВт∙ч
Стоимость одного генератора по нынешнему курсу рубля 8425000р
Цена одного аккумулятора 21000р
генераторов и 3200 аккумуляторов будут стоить 77000000р
Токуп = (77000000 +19230000)/ 9982750= 9.63
Мы видим, что срок окупаемости вложений в электростанцию составляет 9.63
лет, следовательно, покупка данной ВЭС является вполне эффективной.
Заключение
В данном курсовом проекте был рассмотрен проект ветряной электростанции
для города Кандалакша с целью снабжения необходимой энергией выбранного
количества домов в данном регионе.
Были проведены расчёты:
выбор необходимого генератора
выбор кабеля
расчёт срока окупаемости
Постройка ВЭС в данном районе является целесообразной.
Список используемой литературы
1. Волков Д.
А. «Расчет ветроэнергетической установки»
Приложение 1
Блок схема ВЭС
Приложение 2
Принципиальная электрическая схема ВЭС
Похожие работы на - Расчет ветроэнергетической станции
|