Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

Курсовая проект По дисциплине: «Электрооборудование электрических станций, сетей и систем»

Тема: Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

• Введение
• 1. Роза ветров с. Некрасовка
• 2. Сила ветра по шкале Бофора и ее влияние на ветроустановки и условия их работы, по расчётам с. Некрасовка
• 3. Оценка скорости ветра
• 4. Выбор генератора
• 5. Расчёт выбора кабеля
• 6. Расчёт лопасти
• 7. Быстроходность ветроколеса
• 8. На основании данных формул, делаем расчет для ветроустановки в Excel
• 9. Блок схема ВЭС
• 10. Система заряда аккумуляторов
• 11. Расчёт срока окупаемости
• Заключение
• Список используемой литературы

Исходные данные

Количество электроэнергии, требуемое для выработки теплоты, по ООО «Некрасовка» на 2009 г.

Таблица № 1

Расчёт количества электрической энергии на технологические нужды

Таблица № 2

Расчёт количества электроэнергии на освещение

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.

Существуют различные виды ветряных электростанций. В данном проекте я хочу рассмотреть постройку прибрежной электростанции.

Прибрежные ветряные электростанции строят на небольшом удалении от берега моря, залива или океана (Для с. Некрасовка — залив Помрь). На побережье с суточной периодичностью 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.

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. Однако я хочу рассмотреть только один вид двигателя, который на мой взгляд является целесообразным для постройки на Сахалине, это крыльчатые ветряные станции.

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.

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.

В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот несколько доказательств уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций:

· система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки);

· система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы);

· система управления рысканием — электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции);

· система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором «беличья клетка»).

За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация. Если, например, во время работы возникают кратковременные всплески напряжения (так называемый фликкерный эффект), происходящие при коротких, сильных порывах ветра либо при резком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения (в том числе от электромагнитного излучения самой сети и переключающих сетевых устройств) радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы.

1. Роза ветров с. Некрасовка

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.

Масштаб стрелки 5 мм = 2%

Длина ветра показана стрелками, идущими к центру кружка. Длина стрелки до кружка соответствует повторяемости данного направления ветра в процентах от общего числа наблюдений без учёта штилей. Цифра в кружке показывает повторяемость штилей в процентах от общего числа наблюдений.

2. Сила ветра по шкале Бофора и ее влияние на ветроустановки и условия их работы, по расчётам с. Некрасовка

Около залива Помрь села Некрасовки преобладают различные типы ветров:

С мая по август средняя скорость ветров составляет около 9 м/с (Свежий) Октябрь — март, преобладает штормовой ветер, средняя скорость около 20 м/с.

Карта возможной годовой выработки энергии ветроэлектрического агрегата. Единицы измерения — кВт*ч за год на один кВт установленной мощности. С помощью карты можно определить количество энергии, которое можно получать ежегодно с помощью ветроэлектрического агрегата мощностью 1 кВт.

3. Оценка скорости ветра

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:

V / Vo = (H / Ho) ^a V = Vo * (H / Ho) ^a

где:

Vo и Ho — известные значения скорости ветра (м/с) на исходной высоте (м);

Н — запланированная высота (м);

V — определяемая скорость ветра (м/с);

a — эмпирический показатель степени 0.14.

Показатели ветротурбин в зависимости от скорости ветра:

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.

ветроэнергетическая установка котельная ветер Графики мощности (a) и вращающего момента (b) для ветровой установки показывают эффект работы ветроколеса с разными скоростями

4. Выбор генератора

Село Некрасовка:

На основании исходных данных таблицы № 1 производим расчёт суммарной мощности, на котельной № 22 с учётом потребляемой электрической нагрузки:

?Ррасч = 12,6+10,5+52,5+31,5+5,3+2,8+3,9+1,5+3,2+5,3+35*0,1 = 132 кВт

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

Рг = ?Ррасч +10% = 132 + 13 = 145 кВт

По найденной мощности генератора, выбираем необходимый нам ветряк:

Ветрогенератор Avito (АВЭ - 250), мощность от 3 до 500 кВт

Поставщик: Нижний Новгород

Максимальная мощность генератора (Вт) — 500 000

Напряжение генератора (В) — 380

Диаметр ротора (м) — 16

Начальная скорость ветра (м/с) — 3.5

Номинальная скорость ветра (м/с) — 13

Высота мачты с растяжками: 18 м

Количество лопастей: 3 шт.

Выдерживает ураганный ветер: до 40 м/с

Технические характеристики:

Торможение — автоматика

Номинальное количество оборотов (об/мин) — 80

Материал корпуса — сталь

Материал лопастей — стекловолокно

Направление ветра — управляется контроллером

Вес: 4555 кг

Аккумуляторные батареи: Минимальное количество (шт) — 30

Рекомендованные аккумуляторы: 60 шт.12 В 200А

Время для полной зарядки аккумуляторов: около 16 часов

Стоимость: 900 000 руб

5. Расчёт выбора кабеля

Тмах — время использования максимальной нагрузки

Тмах = Wмах/Рмах

Wмах — максимальная выработка энергии (при максимальной скорости 20 км/ч, W = 2 470 000 кВт)

Рмах — максимальная мощность станции, 500кВт

Тмах = 2 470 000/500 = 4940ч

J — экономическая плотность тока, за продолжительность максимальной нагрузки 4940ч в год, = 1,1

I = Pг/1,73*Uн = 145 000/1,73*380 = 221 А

Uн — номинальное напряжение ветрогенератора

Рг — необходимая мощность генератора, для снабжения котельной

Fэ = I/J, где:

Fэ — экономическое сечение провода

Fэ = 221/1,1 = 201

По конструктивным и расчётным таблицам выбираем силовой кабель с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемый в земле:

В свинцовой оболочке при Fэ = 240, 3 жилы до 3 кВ — 570 А

В алюминиевой оболочке при Fэ = 240, 3 жилы до 3 кВ — 440 А

6. Расчёт лопасти

За счет угловой скорости, сечения, на разных радиусах лопасти, что бы пройти свой путь с одинаковой эффективностью, в объеме воздуха, и не создавать торможения должны иметь разный угол установки. И чем дальше от оси вращения, тем угол становится меньше.

Одним из показателей для расчета лопасти является шаг винта.

На рисунке показан шаг для одного из поперечных сечений лопасти, удаленных от оси винта на расстояние R.

Другими словами можно сказать, что шаг данного сечения есть расстояние, на которое переместится масса воздуха за один оборот, если представить эту массу воздуха в виде гайки диаметр которой равен 2R, а угол подъема резьбы равен углу между хордой взятого сечения и плоскостью вращения винта.

Шаг винта определяется по формуле:

H = 2ПR * tg a

Где: H = шаг выделенного сечения (м.); R = радиус сечения (м.); a = угол установки сечения (град.)

Угол установки сечения лопастей ветроколеса определим по преобразованной формуле:

a (угол установки) = Arctg (H / 2ПR)

Следующий показатель при расчете ветроколеса, это мощность ветрового потока проходящего через площадь ветроколеса. Вычисляют ее достаточно точно по обще принятой методике:

P = 0,5 *Q * S * V³

P — мощность (Вт);

Q — плотность воздуха (1,23 кг/м³);

S — площадь ометания ротора (м²);

V — скорость ветра (м/с);

Для согласования оборотов ветроколеса и генератора необходимо использовать повышающий редуктор и его КПД.

Преобразовывая механическую энергию в электрическую, также несем потери. Поэтому отражаем их в КПД генератора Ng, получаем:

P = 0,5 *Q * S * V³ * Cp * Ng * Nb;

P — мощность (Вт);

Q — плотность воздуха (1,23 кг/м³);

S — площадь ротора (м²);

V — скорость ветра, (м/с);

Cр — коэффициент использования энергии ветра;

Ng — КПД генератора;

Nb — КПД повышающего редуктора.

С увеличением скорости ветра, пропорционально квадрату его скорости, увеличивается давление на ветроколесо.

F = 0,5 *Q * V^2/9,81 * S

Где:

F — сила давления ветра (кгс);

Q — плотность воздуха (1,23 кг/м³);

S — площадь ротора (м²);

V — скорость ветра (м/с);

Но если ветроколесо поставить под неким углом к ветровому потоку, то сила давления ветра на него уменьшится и будет равна:

Fу = F * Sin a

Где: a = угол установки плоскости по отношению к ветру (град.).

Зависимости коэффициентов профиля лопасти от угла атаки

7. Быстроходность ветроколеса

Таблица № 3

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:

2 лопастное ветроколесо Z = 7 3 лопастное ветроколесо Z = 5

И по приведенной ниже формуле рассчитаем обороты ветроколеса:

W = V / L * Z * 60

8. На основании данных формул, делаем расчет для ветроустановки в Excel

9. Блок схема ВЭС

(1) Фундамент

(2) Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

(3) Башня

(4) Лестница

(5) Поворотный механизм

(6) Гондола

(7) Ветрогенератор

(8) Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)

(9) Тормозная система

(10) Трансмиссия

(11) Лопасти

(12) Система изменения угла атаки лопасти

(13) Колпак ротора

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.

10. 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.

11. Расчёт срока окупаемости

Критерием целесообразности применения ветроэлектрической установки АВЭ-250, поставляемой Новгородом, является годовой экономический эффект, который зависит от ветровых условий места применения.

За базу сравнения при расчете экономического эффекта, получаемого от АВЭ-250, предназначенного для выработки электроэнергии, принят дизель-электрический агрегат. Выбор этого агрегата в качестве базы сравнения произведен с учетом соизмеримости мощности и того, что этот агрегат получил распространение на дизель-электрических станциях, удаленных от централизованных линий электропередач. На практике вопрос о применении ВЭС в качестве энергоисточника возникает при необходимости увеличения производства электроэнергии.

По вопросу целесообразности использования ВЭУ в качестве источника электроснабжения разногласий нет. Несмотря на высокую первоначальную стоимость оборудования и его монтажа применение ВЭУ представляется привлекательной перспективой. Приведенные расчеты показывают, что использование ВЭУ выгодно даже в тех случаях, когда ВЭС работают круглосуточно. Главная задача применения ВЭУ в сельской местности (с. Некрасовка) — экономия топлива для выработки энергии.

Выгодно это или невыгодно — можно определить достаточно просто, ответив на вопрос: «За сколько лет может окупиться балансовая стоимость ветроагрегата (например, АВЭ-250) за счет стоимости сэкономленного топлива?». Нормативный срок окупаемости станции составляет 6,7 года. За год в с. Некрасовка потребляется 129 180 кВт*ч.1 кВт энергии для предприятий в настоящее время составляет 2,85 руб. Из этого можно найти срок окупаемости затрат:

Токуп = П/Пч, Пч = П — З,

где: П — прибыль предприятия без вычета затрат на покупку ВЭС, Пч — чистая прибыль предприятия, З — затраты вложенные на покупку ВЭС (700 тыс. руб.)

П = 6,7*129 180*2,85 = 2 466 692 руб

Пч = 2 466 692 — 900 000 = 1 566 692 руб

Токуп = 2 466 692/1566692 = 1,6 года

Мы видим, что срок окупаемости вложений в электростанцию меньше нормы, которая составляет 6,7 лет, следовательно, покупка данной ВЭС является эффективной. При этом ВЭС обладает значительным преимуществом над ТЭЦ, благодаря тому, что капитальные затраты практически не «омертвляются», поскольку ветроустановка начинает вырабатывать электроэнергию через 1 — 3 недели после её завозки на место установки.

Заключение

В данном курсовом проекте я рассмотрела проектировку ветреной установки для с. Некрасовка, с целью снабжения необходимой энергией данного села.

Мною были проведены расчёты:

выбор необходимого генератора

выбор кабеля

расчёт срока окупаемости

расчёт лопасти

выбраны 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.

Список используемой литературы

1. Безруких П. П. Использование возобновляемых источников энергии в России // Информационный бюллетень «Возобновляемая энергия». М.: Интерсоларцентр, 1997. № 1.

2. Д. де Рензо, В. В. Зубарев Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 1982

3. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельхозиз-дат, 1948

4. Фатеев Е. М. Вопросы ветроэнергетики. Сборник статей. Издательство АН СССР, 1959

5. Федотов В. Е., Харитонов В. П. Унифицированная ветроэлектрическая установка // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1971. № 7.