Проектирование автономной энергоустановки фермерского хозяйства с использованием возобновляемых источников энергии

Содержание
Введение…………………………………………………………………….4
1 Состояние развития ветроэнергетики в мире…………………………..6
1.1 Применение ветра для выработки электроэнергии…………………6
1.2 Описание функционирования ветроэнергетической
установки……………………………………………………….…….7
1.3 Существующие типы ветроприемных устройств…………………...7
1.3.1 Ветроприемные устройства с горизонтальной осью
вращения…………………………………………………………....8
1.3.2 Ветроприемные устройства с вертикальной осью
вращения…………………………………………...………………..10
1.4 Описание систем аккумулирования энергии……………………….15
1.5 Ветровой потенциал Республики Казахстан………………………..16
1.5.1 Ветровой атлас Казахстана………………………………………...16
1.6 Обзор существующего рынка оборудования для
комплектации ВЭУ…………………………………………………..18
1.7 Постановка задачи……………………………………………………21
2 Разработка системы автономного энергообеспечения
фермерского хозяйства………………………………………………….23
2.1 Общая схема энергообеспечения фермерского хозяйства…………23
2.2 Обоснование выбора оборудования для комплектации
ВЭУ…………………………………………………………………...23
2.3 Разработка программного обеспечения управления
системой энергоснабжения фермерского хозяйства……………..25
2.4 Проектирование системы мониторинга работы
автономной энергоустановки………………………………………..27
2.4.1 Описание технологического процесса…………………………....27
2.4.2 Формулировка задачи мониторинга…………..………………….27
2.4.3 Реализация системы мониторинга в среде
WinCC Flexible 2008……………………………………………….28
2.4.4 Архивирование данных……………………………………………31
2.5 Моделирование системы стабилизации выходного
напряжения ВЭУ в программе Matlab………………………………32
2.5.1 Описание моделирумого объекта………………………………….33
2.6. Разработка алгоритма регулирования положением
лопастей ротора Дарье……………………………………………….44
2.6.1 Реализация системы регулирования………………………………44
3 Расчет экономической эффективности
проектируемой автономной энергоустановки…………………………47
3.1 Необходимая мощность ветроэнергетической
установки……………………………………………………………...47
3.2 Расчет себестоимости 1 кВт*ч выработанной
энергии…………………………………………………….……………47
3.2.1 Расчет себестоимости выработанной энергии для ВЭУ…………47
3.2.2 Расчет себестоимости выработанной энергии для
электрогенератора на жидком топливе……………………………49
4 Безопасность жизнедеятельности……………………………………….51
4.1 Техническое решение вопросов обеспечения ……………………...53
безопасности
4.1.1 Расчет системы кондиционирования воздуха…………………….53
4.1.2 Расчет естественного освещения…………………………………..56
Заключение…………………………………………………………………61
Список литературы………………………………………………………...62
Приложение А Листинг программы управления
Энергоснабжением………………………………………63
Приложение В Листинг программы регулирования
положения лопастей……………………………………..65
1 Состояние развития ветроэнергетики в мире
1.1 Применение ветра для выработки электроэнергии
Проблема энергоснабжения отдаленных фермерских хозяйств стоит не
только в Казахстане, но и по всему миру. Поэтому, во многих странах нашей
планеты, силами разных групп разработчиков идут активные исследования в
области применения возобновляемых источников энергии. Данные
исследования объясняются не только желанием обеспечения фермерских
хозяйств автономным источником энергии, но и стремлением уменьшения
зависимости человека от ископаемых источников топлива. Всем известен тот
факт, что ископаемые источники энергии ограничены по своим запасам и
выделяют определенное количество вредных выбросов в атмосферу.
По этой причине ветроэнергетика получила широкое развитие (см. рисунок
1.1). Причем разработки ведутся по всей элементной базе (ветротурбины,
инверторы и тд), составляющей ветроэнергетическую установку.

Рисунок 1.1 - Динамика объема установленных мощностей ВЭУ в мире
(фиолетовая гистограмма) и объема мирового производства электроэнергии на
ВЭУ (желтая линия) [1]

В качестве иллюстрации отмеченных утверждений в таблице 1.1
представлены примеры использования энергии ветра в некоторых странах.
В дипломной
работе проектируется маломощная автономная энергоустановка, мощностью не более 20 кВт. Для реализации данной задачи
необходимо подробно рассмотреть принцип работы ветроэлектростанции и
элементную базу комплектующих для формирования энергоустановки.
Рассмотрим описание подобных установок.

1.2 Описание функционирования ветроэнергетической установки
Общая схема функционирования ветроэнергетической установки (ВЭУ)
как системного объекта представлена на рисунке 1.2. ветроколегенерато
выпрямитель инвертор потребитель аккумуляторы контроллер заряда
Рисунок 1.2 - Функциональная схема ВЭУ
Ветроустановка работает следующим образом: при воздействии ветра
ветроколесо начинает вращаться, что в свою очередь приводит во вращение
ротор генератора. Ток с генератора выпрямляется и через инвертор, который
преобразует постоянный ток в переменный ток, подается на потребителя.
Излишки энергии через котроллер заряда подаются на аккумулятор. В
случаях, когда недостаточна скорость ветра, накопленный в аккумуляторах
заряд, через инвертор подается на потребителя.

1.3 Существующие типы ветроприемных устройств
Разработаны ветроприемные устройства многих типов, имеющие такие
конфигурации, благодаря которым в ветровом потоке возникают
несимметричные силы, они могут вращаться, поступательно перемещаться
или вибрировать. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению
к направлению ветрового потока ветроприемные устройства могут быть
классифицированы следующим образом:
– с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению
ветрового потока (применяется у обычных ветряных мельниц);
– с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению
ветрового потока [2];
Остановимся на каждом виде в отдельности.

1.3.1 Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения
Прямое набегание потока.
Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования
энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства,
использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить
в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным
действием силы сопротивления. Ветроколесо может быть выполнено с
различным числом лопастей; от однолопастных устройств с контргрузами до
многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с
горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по
направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси,
перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств, применяется
только при наличии одного, господствующего направления ветра. В
большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так
называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по
направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этих
целей хвостовые оперения, у больших– сервосистемы.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости
ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во
флюгерное положение, применение 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 ветроколеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на
валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода
через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной
башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной
мощностью. Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства
для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения
степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока
около ветроколеса для увеличения его угловой скорости [2].
Перпендикулярное направление действия ветра на установки с
горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как требует
систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что
приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных
преимуществ по сравнению с другими видами ветродвигателей с
горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Рисунок 1.3 - Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения EuroWind
500W компании “EuroWind ”

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения выпускаются
различной мощности, начиная от нескольких сот ватт, вплоть до нескольких
мегаватт.
Рисунок 1.4 – Пример монтажа турбины ветрогенератора
На рисунках 1.3 и 1.4 можно увидеть размеры отдельных моделей
ветротурбин с горизонтальной осью вращения.
Рисунок 1.5 – Иллюстрация существующих ветрогенераторов в составе
крупных энергосистем

Ветротурбины с горизонтальной осью вращения получили широкое
распространение в составе промышленных энергосистем (см. рисунок 1.5).

1.3.2 Ветроприемные устрйства с вертикальной осью вращения
Такие ветроприемные устройства имеют важные преимущества перед
ветроприемными устройствами с горизонтальной осью вращения. Для них
отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер (см. рисунок
1.6), упрощается конструкция и снижаются гироскопические нагрузки,
вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и
других элементах установок с горизонтальной осью вращения.
Еще в прошлом были разработаны различные типы устройств с
вертикальной осью вращения, в которых для создания вращающего момента
использовалась сила сопротивления. К ним относятся устройства с
плаcтинами, с 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, но меньшим быстроходностью и мощностью по
сравнению с обычным ротором.
На рисунке 1.6 представлен пример ветрогенератора с вертикальной
осью вращения.
Рисунок 1.6 - Ветрогенератор с вертикальной осью вращения EuroWind VS-
002 200W компании EuroWind

Из ветродвигателей с вертикальной осью вращения стоит особо
отметить роторы Дарье [2]. Ротор Дарье относится к ветроприемным
устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых
лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет
сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, в
силу этого – относительно большую удельную мощность, отнесенную к его
массе или стоимости. Такие роторы имеют различную форму (ϕ-, Υ-, Δ-
образную) с одной, двумя или большим числом лопастей. Для увеличения
начального момента ротор Дарье может быть скомбинирован с различными
типами вспомогательных устройств. Однако это увеличивает массу и
стоимость ветроустановки, и применение ее при таких характеристиках
требует оптимизации конструкции конкретного назначения. Рисунок 1.7
иллюстрирует зависимость установленной мощности ротора Дарье Руст от его
размеров.
Рисунок 1.7 - Типовое семейство ветродвигателей Дарье с вертикальной осью
вращения при среднегодовой скорости ветра 7,6 м/с
Рисунок 1.8 - Различные вариации ротора Дарье

На рисунке 1.8 можно увидеть различные вариации ротора Дарье.
Развитие ветроэнегетики идет по всему миру и Казахстан не стал
исключением. Ряд казахстанских разработчиков внесли свой вклад в дело
развития ветроэнергетики. Среди работ с высоким уровнем готовности для
промышленной реализации следует отметить следующих авторов: Буктуков
Н.С., Болотов А.В., Ершин Ш.А., Исембергенов Н.Т., Камбаров М.Н. и другие.
Под руководством Ершина Ш.А. в КазНУ имени Аль–Фараби был
усовершенствован ветрогенератор Дарье (см. рисунок 1.9).
Рисунок 1.9 - Опытный образец усовершенствованного ветрогенератора типа
Дарье

Следует отметить, что установка предложенная лабораторией КазНУ
имеет недостаток вида: вектор изменения подъемной силы, действующей на
лопасти от максимума до нуля, что отражается отрицательным образом
выходные характеристики данной ветроустановки.

В целях более глубоко изучения режимов работы ветроустановки типа
Дарье и ее дальнейшего усовершенствования, в данном проекте разработана
система регулирования положением лопастей ветроустановки Дарье.
Программное обеспечение системы регулирования реализовано в среде
Simatic Manager, на языке Step 7 (см. раздел 2.6).
Описание ветрогенератора Дарье
Одним из существенных преимуществ данного ветрогенератора
заключается в том, что для данной установки не требуется системы
ориентации на ветер. Это качество упрощает саму установку и повышает её
КПД. Но у этой установки имеются и свои недостатки. Как уже отмечалось
выше, недостатком является изменение подъемной силы действующей на
лопасти ветроустановки от нуля до максимума в зависимости от ориентации
лопастей по отношению к ветру. Уменьшение подъемной силы снижает
количество вырабатываемой энергии (см. рисунок 1.10).....