Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ (стр. 5 из 10)

2.3. Определение мощности энергетических установок

Мощность ветроэнергетических установок является одной из наиболее важных характеристик, определяющей надежность системы электроснабжения.

Мощность ветроэнергетической установки (В-установки) должна быть достаточной для питания электроприемников усадьбы и зарядки аккумуляторов такой емкости, которой достаточно для питания электроприемников в штилевые дни ( в течении четырех суток ). При этом нужно учитывать, что в период штиля аккумуляторы могут дозаряжаться от солнечной энергоустановки (С-установки). Очевидно что суммарная стоимость В - установки, С-установки и аккумуляторов должна быть при этом минимальной. Таким образом, обоснование мощности энергетических установок является оптимизационной задачей, которую можно сформулировать следующим образом - определить мощность В-установки, С-установки и емкость аккумуляторов, достаточные для бесперебойного электроснабжения усадьбы и имеющие минимальную стоимость. В этой задаче критерием оптимальности является стоимость, следовательно задача формализуется следующим образом:

, (2.3.1.)

W_в + W_с = 5W_о (2.3.2.)

W_а = W_в - W_о (2.3.3.)

где: Y - целевая функция;

S_в, S_с, S_а - стоимость электроэнергии, вырабатываемой соответственно В-установкой, С-установкой и аккумуляторами;

W_в, W_с - электроэнергия, вырабатываемая соответственно В- установкой и С-установкой кВт ч;

W_а- электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе, кВт ч;

W_о- суточное расчетное потребление электроэнергии, кВт ч. По данным п.2.1. W_о=22,4 кВт ч.

Раскроем функции стоимостей электроэнергии и проведем необходимые вычисления в долларах США. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой В-установкой, растет с увеличением W_в нелинейно. Это объясняется опережающим ростом материалоемкости и сложности конструкции /18,20,22/.В общем случае можно записать эмпирическое выражение:

S_в(W_в) = k_вW_вx^х (2.3.4.)

где k_в, x - эмпирические коэффициенты.

По данным /18/ электроэнергия, выработанная В-установкой мощностью 1 кВт и сроком службы 20 лет стоит 0,5 $, мощностью 3 кВт стоит 0,66 $. За срок службы будет выработано электроэнергии:

W_в = t_вN_с (2.3.5.)

где:t_в- время работы в году, ч;

N_с- срок службы, лет.

По данным п.1.2. t_в=6830 часов.

Подставив эти данные ориентировочно можно записать:

После логарифмирования, получаем:

Откуда:

k_в = 0,05; x = 1,2.

Следовательно, функцию стоимости электроэнергии, вырабатываемой В- установкой, можно приближенно выразить формулой:

, (2.3.6.)

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, имеет линейную зависимость, т. к. в основном определяется площадью фотоэлементов, пропорциональной мощности установки. Следовательно, можно записать:

S_с(W_с) = s_оW_с, (2.3.7.)

где: s_о - стоимость 1 кВт часа электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, дол/кВт ч..

По данным /18/ s_о= 0,1дол/кВт ч.

Подставив численые значения, имеем:

S_с= 0,1 W_с (2.3.8.)

Удельная стоимость аккумуляторов падает с увеличением их емкости приблизительно по гиперболической зависимости. Для практических расчетов в этом случае функцию стоимости электроэнергии, отдаваемой аккумуляторами, можно выразить следующим образом:

S_а = k_аW_а^-2, (2.3.9.)

где: k_а - коэффициент пропорциональности.

Для получения численного значения воспользуемся данными о стоимости аккумулятора 6СТ- 75. Его стоимость около 40 долларов. С учетом этого имеем:

40 = k_а(0,66)^-2

k_а = 40(0,66)^-2 = 17,4

Здесь 0,66 - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе.

Таким образом, функция стоимости электроэнергии, накапливаемой в аккумуляторах, имеет вид:

S_а = 17,4 W_а^-2 (2.3.10.)

Подставив (2.3.6.), (2.3.8.) и (2.3.10.) в целевую функцию (2.3.1.), с учетом ограничений (2.3.2.) и (2.3.3.), получаем:

Для определения Wв, обращающей целевую функцию в min, проведем соответствующие вычисления /32/:

, (2.3.11.)

Уравнение (2.3.11.) является трансцендентным, поэтому его решение находим графически (рис. 2.3.1.)

Как видно из графика, оптимальной будет В-установка мощностью 3 кВт.

Пользуясь формулами (2.3.2.) и (2.3.3.), определяем:

, (2.3.13.)

где: t - время работы С-установки за расчетный период t = 12 ч.

Так как модуль солнечного коллектора равен 0,03 кВт, то принимаем

27× 0,03 = 0,81 (кВт)

Для расчета емкости аккумуляторов воспользуемся формулой:

, (2.3.14.)

где: E_а- емкость аккумулятора, А ч;

U_а- напряжение аккумулятора, В.

Принимаем Е_а = 10×(6СТ-210) = 2100 А×ч.

Таким образом, параметры энергосистемы на основе ВИЭ следующие:

Основной источник В-установка, Р_в= 3 кВт;

Дополнительный источник С-установка, Р_с= 0,72 кВт;

Резерв, аккумуляторы 6СТ-75 Е_а= 10*210 =2100 А×ч.

3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

3.1. Выбор типа ветроэнергетической установки

Все ветроэнергетические установки (В-установки) можно классифицировать следующим образом (лист 1).

К В-установкам с вертикальной осью вращения относятся установки карусельного типа. Наиболее эффективной из них по использованию энергии ветра является В-установка типа ротора Савониуса, в которой ветер воспринимается приблизительно 2/3 рабочей поверхности ветроколеса.

К достоинствам такого типа В-установок относятся:

- простота конструкции;

- не требуется ориентация по ветру;

- для некоторых конструкций (например, ротор Савониуса) довольно значительный вращающий момент.

К недостаткам относятся:

- низкая скорость вращения, не более скорости ветра;

- значительная зависимость крутящего момента от скорости ветра.

Так как В-установки с вертикальной осью вращения являются тихоходными, то для привода генератора требуются редукторы с большим передаточным числом. Кроме того, сильно выраженная зависимость их крутящего момента и скорости вращения от скорости ветра требуют ряда усовершенствований, увеличивающих их сложность и стоимость (маховик, шторы для уменьшения потока ветра и т.п.). В этой связи В-установки карусельного типа применяются, в основном, для водоподъема, где не требуется поддержания стабильной скорости вращения.

Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения, расположенной параллельно ветру, называются В-установками пропеллерного типа и могут быть тихоходными (с числом лопастей более шести) и быстроходными (с числом лопастей до шести). Тихоходные установки менее эффективны для выработки электроэнергии, т.к. необходимы редукторы с большим передаточным числом. Поэтому они здесь не рассматриваются.

Быстроходные В-установки пропеллерного типа разделяются по способу расположения ветроколеса: за башней (самоустанавливающиеся на ветер) и перед башней (требующие устройства установки на ветер). В качестве устройства установки на ветер для маломощных В-установок применяется флюгер. Если рассматривать В-установку в качестве двигателя электрогенератора, то быстроходные установки пропеллерного типа по сравнению с другими обладают следующими преимуществами:

- высокая скорость вращения, что позволяет применять редуктор с малым передаточным числом или вообще обходиться без редуктора;

- наиболее высокий к.п.д.;

- наименее выражена зависимость крутящего момента от силы ветра;

- возможность авторегулирования скорости вращения.

К недостаткам В-установок пропеллерного типа можно отнести более сложную конструкцию и значительный гироскопический момент. Однако, современное состояние техники изготовления В-установок пропеллерного типа позволяет значительно упростить расчеты крыла и уменьшить влияние гироскопического момента /18,22 /.

Исходя из изложенного, для привода электрогенератора принимается быстроходная В-установка пропеллерного типа. Справедливость такого решения подтверждается мировой практикой использования энергии ветра для электроснабжения /18/.

3.2. Обоснование и расчет ветроколеса

Конструктивными параметрами ветроколеса являются число лопастей, диаметр, профиль лопасти, угол защемления.

От количества лопастей ветроколеса зависит его номинальная скорость вращения, при которой достигается максимальный к.п.д. /19,43,23/. Чем больше лопастей содержит ветроколесо, тем больше его крутящий номинальный момент, но тем меньше его же номинальная скорость вращения. Момент на валу генератора от ветроколеса определяется по формуле /21,46 /: