Avtonomnye-25_56

где W – количество энергии, потребленной за сутки, Вт·ч; UАБ – напряжение АБ, В;

– допустимая глубина разряда АБ, %.

При расчете емкости АБ в полностью автономном режиме необходимо принимать во внимание и наличие пасмурных дней, в течение которых аккумулятор должен обеспечивать работу потребителей самостоятельно без подзаряда.

От глубины разряда АБ зависит срок службы аккумуляторной батареи. Рекомендуемое значение глубины разряда – 60 % ( 0,6 ).

Емкость аккумуляторной батареи зависит также от температуры окружающей среды T. Уменьшение емкости АБ при понижении температуры учитывает температурный коэффициент Кс , значения которого берутся из

табл. 3.2. Общая требуемая емкость АБ, А·ч: САБ Срасч Кс.

Емкость АБ САБ определяется после уточнения количества (при парал-

лельном соединении нескольких АБ для получения заданной емкости) и номина-

ла АБ, выбранных из ряда: 20, 30, 35, 40, 45, 55, 60, 75, 80, 90, 100, 110, 132 А·ч.

3.2.3. Определение мощности и количества модулей ФЭС

Солнечный модуль выполнен в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля. Панель представляет собой фотоэлектрический генера-

21

тор, состоящий из стеклянной плиты, с тыльной стороны которой между двумя слоями герметизирующей (ламинирующей) пленки размещены солнечные элементы, электрически соединенные между собой металлическими шинами. Рабочее напряжение фотоэлектрических модулей обычно принимается равным 12 В.

Технические характеристики солнечных модулей приведены в табл. 3.3.

Т а б л и ц а 3.3 Технические характеристики солнечных модулей

Фотоэлементы имеют определенную номинальную мощность, выраженную в ваттах пиковой мощности. Это показатель их максимальной мощности в стандартных условиях испытаний, когда солнечная радиация близка к своему максимальному значению в 1000 Вт/м2, а температура поверхности фотоэлемента 25 °С. На практике же фотоэлементам редко приходится работать в таких условиях. Один солнечный модуль в зависимости от количества пластин имеет мощность от 100 до 3000 Вт. В течение выбранного периода времени модуль мощностью РМ (Вт) вырабатывает количество энергии, кВт·ч:

где Е – значение инсоляции за выбранный период для заданной широты, кВт·ч/м2;

22

– коэффициент производительности системы (0,5 – летом, 0,7 – зимой; 0,65 – за год);

pп = 1000 – пиковая плотность потока солнечной радиации при стандартных условиях, Вт/м2.

Разделив потребляемую нагрузкой в течение выбранного периода энергию W на энергию, выработанную одним модулем за этот же период Wм, определим необходимое количество модулей фотоэлектрической системы:

Суммарная солнечная энергия (инсоляция) за расчетный год для г. Омска составляет 860,0 кВт·ч/м2.

Контроллер заряда-разряда выбирается по номинальному напряжению, рабочему току и функциональным характеристикам. Соединительные провода должны обеспечивать допустимое падение напряжения до 2 % (обеспечивается выбором соответствующего материала проводника и его сечения).

3.3.Контрольные вопросы

1)Что представляет собой фотоэлектрическая система?

2)Каков состав необходимого оборудования для ФЭС?

3)Какая зависимость называется внешней характеристикой?

4)По каким параметрам выбирается ФЭС?

5)Как рассчитать и выбрать емкость аккумуляторной батареи?

Лабораторная работа 4

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

Ц е л ь р а б о т ы: изучить принцип преобразования энергии ветра в электрическую энергию; исследовать энергетические характеристики ветрогенератора при различной силе ветра; на основании полученных данных проанализировать работу автономной системы электроснабжения на базе ветроэнергетической установки.

23

4.1. Основные положения теории

Среди энергоустановок, использующих возобновляемые источники энергии, самое широкое распространение нашли ветроэнергетические установки

(ВЭУ).

Использование ВЭУ по сравнению с другими нетрадиционными источниками для автономного электроснабжения имеет ряд преимуществ:

стоимость 1кВт установленной мощности ВЭУ намного ниже, чем у ФЭС, и сравнима со стоимостью микроГЭС;

ветровые ресурсы по сравнению с солнечными распределены достаточно равномерно в течение года и в течение дня;

ВЭУ можно разместить недалеко от объекта энергоснабжения, в то время как расположение микроГЭС привязано к реке;

по сравнению с ФЭС производство ВЭУ не требует высокотехнологического оборудования, и поэтому большинство элементов ВЭУ можно выпускать на любом машиностроительном предприятии или изготавливать собственными силами.

Принцип действия ВЭУ заключается в преобразовании энергии ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию.

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроколес – горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели (рис. 4.1), использующие подъемную силу крыла. Оба типа ВЭУ имеют примерно одинаковый КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

Необходимость бесперебойного электроснабжения потребителей требует наличия в составе автономной электростанции гарантированного источника питания, способного обеспечить потребителя необходимой электрической энергией в периоды ветрового затишья и слабых ветров. В качестве такого источника в автономных установках чаще всего используют аккумуляторные батареи.

24

Рис. 4.1. Схемы горизонтально-осевого (а) и вертикально-осевого (б) ветродвигателей

Структурная схема энергоустановки с ВЭУ приведена на рис. 4.2.

ВЭУ заряжает аккумуляторную батарею. Для преобразования трехфазного переменного напряжения ВЭУ в постоянное имеется выпрямитель. Инвертор преобразует энергию, запасенную в АБ, в однофазное напряжение 220 В/50 Гц. Непосредственно к АБ подключаются потребители постоянного напряжения.

К инвертору подключаются потребители стандартного напряжения. Контроллер заряда регулирует зарядное напряжение и тем самым предохраняет АБ от перезаряда.

В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно.

При сильном ветре, от 10 до 12 м/c, ветроустановки вырабатывают достаточно электроэнергии, которую иногда даже приходится запасать. Трудности возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра. Поэтому для

25

ветроэнергетики является законом считать районы со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью 8 м/с – хорошими. Однако независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановок применительно к местным метеоусловиям.

Рис. 4.2. Структурная схема автономной ВЭУ

4.2. Экспериментальная часть

Лабораторная установка автономной системы электроснабжения на базе ветрогенератора включает в себя следующие основные элементы: ветрогенератор AIR-X мощностью 300 Вт со встроенным контроллером, вентилятор с частотно управляемым приводом мощностью 1,1 кВт, блок управления, аккумуляторные батареи емкостью 80 А·ч (рис. 4.3).

Для создания воздушного потока в лабораторной установке используется вентилятор диагонального типа, обеспечивающий в номинальном режиме работы расход воздуха 8300 м3/ч. При этом максимальная скорость воздушного потока на выходе из вентилятора составляет 14,5 м/с. Изменение скорости воздушного потока, создаваемого вентилятором, производится за счет изменения частоты вращения вентилятора, которое обеспечивается преобразователем частоты, через который привод вентилятора подключен к электрической сети.

Преобразователь частоты (ПЧ) обеспечивает изменение выходной частоты от 1 до 100 Гц, защиту двигателя от перегрузок, имеет аналоговые и цифровые входы/выходы для регулирования и дистанционного управления.

26

Электропитание лабораторной установки производится от однофазной сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. При замыкании ключа SB1 питание подается на ПЧ. С выхода преобразователя трехфазное напряжение переменного тока с регулируемой частотой подается на двигатель вентилятора M, который создает воздушный поток. Ветровая энергия приводит во вращение ветрогенератор G, с выхода которого снимается напряжение постоянного тока.

Рис. 4.3. Схема экспериментальной установки

В качестве электрической нагрузки ветрогенератора в лабораторной установке используется набор активных сопротивлений R1 - R5, параллельное подключение которых осуществляется с помощью ключей SB1 - SB5. В цепи нагрузки ветрогенератора установлены измерительные приборы: амперметр (PA1) и вольтметр (PV1) постоянного тока. Частота вращения ВЭУ измеряется при помощи лазерного тахометра.

27

4.3.Методические указания к проведению исследований

1)Подать питание на преобразователь частоты ПЧ. Произвести пуск двигателя вентилятора.

2)При помощи клавиш управления установить заданную выходную частоту преобразователя частоты.

3)Зафиксировать показания измерительных приборов и частоту вращения винта n при работе ветрогенератора в режиме холостого хода. Результаты занести в табл. 4.1.

4)Аналогично провести измерения при работе ветрогенератора на нагрузку. Зафиксировать показания приборов для каждой ступени нагрузки.

5)Повторить пункты 3, 4 для режимов выходной частоты преобразователя 45 и 40 Гц соответственно.

4.4.Расчеты и построения

1)Построить вольт-амперные характеристики U = f(I) для различных значений частоты преобразователя: 50, 45, 40 Гц.

2)Для каждого опыта рассчитать выходную мощность ветрогенератора:

3)В одних осях координат построить экспериментальные мощностные характеристики ветрогенератора Р = f(n) при заданных значениях частоты ПЧ.

4)Определить возможную годовую выработку электроэнергии ветрогенератором при заданных значениях частоты ПЧ по формуле:

где Т – время работы ВЭУ в год, ч.

28

4.5.Контрольные вопросы

1)Какие типы ветродвигателей применяются в ВЭУ?

2)Как определяется мощность воздушного потока?

3)От каких параметров зависит быстроходность ветрового колеса?

4)Как определяется максимальная мощность, развиваемая ветроэнергетической установкой?

5)Какие режимы работы и особенности имеют сетевые ВЭУ?

6)Для чего в составе автономных ветроэлектростанций используют аккумуляторные батареи?

7)От каких факторов зависит КПД преобразования ветровой энергии?

Лабораторная работа 5

РАСЧЕТ АВТОНОМНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с методикой расчета автономной ветроэнергетической установки; закрепить теоретические знания [1, с. 93 – 104; 4,

с. 112 – 178].

5.1.Задание

1)Выполнить расчет и построить мощностную характеристику ветроэнергетической установки NВЭУ f ( ) .

2)Рассчитать производительность ветроэнергетической установки и построить гистограмму годовой выработки ВЭУ по месяцам.

3)Определить мощность инвертора и емкость АБ.

Исходные данные приведены в табл. 5.1 и 5.2.

5.2. Методические указания к выполнению расчета

Потенциал ветровой энергии существенно зависит от местных климатических характеристик и имеет ярко выраженный сезонный характер.

Мощность автономной ВЭУ обычно не превышает 5 кВт. Такое ограничение связано с входным напряжением серийных инверторов, которое не превышает 48 В. При увеличении мощности ВЭУ больше 5 кВт и низком напряжении АБ номинальный ток генератора достигает такой величины, что эффектив-

29

ность энергоустановки снижается. Основными показателями, по которым оценивается эффективность ВЭУ, является уста – новленная мощность и возможная выработка электроэнергии за год.

где 1,226 кг/м3 – плотность воздуха;

F D2 / 4 – ометаемая площадь ветроколеса, м2;р – расчетная скорость ветра, м/с;

cр 0,4 – коэффициент использования ветра;

г 0,95 – КПД ветрогенератора.

30