Выбор мощности источников энергии

Исходные данные:

Таблица 1.1.

Жилой сектор

Пром. сектор

Теплица

Освещение посёлка

Ферма

Птичник

Тип источника

Кол-во отходящих линий

Кол-во домов, n1, шт

Р1, кВт

Р2, кВт

Р3, кВт cosφ

Р4, кВт =0.76

Р5, кВт cosφ

Р6, кВт =0.6

Р7, кВт

Р8, кВт

Р9, кВт

Р10, кВт

Р11, кВт

В, D,B-D, НП

n2, шт

24

48

42

65

32

21

18

6

30

22

12

14

B-D

6

1. Выбор мощности источников энергии

1.1. Расчет электрической нагрузки проектируемого объекта

Исходя из исходных данных, необходимо подсчитать 2 вида нагрузок: критичных и некритичных к частоте.

Суммарная мощность ЭП, критичных (Pfconst) и некритичных (Pfvar) к частоте:

Pconst=Р1+Р2+Р3+Р4+Р5+Р6;

Pconst=48+65+21+6+30+12=182 кВ.

где, Pconst - мощность, потребляемая приемниками на постоянном по частоте напряжении;

Pvar - мощность, потребляемая приемниками на переменном по частоте напряжении.

Для приемников на постоянной частоте необходимо рассчитать реактивную составляющую полной мощности:

Величина полной мощности:

1.2. Выбор мощности и типа источников энергии

В данной работе для электроснабжения поселка используются два источника энергии: дизельная электростанция (ДЭС) и ветроэнергетическая установка (ВЭУ), которые работают параллельно друг другу. В период безветрия предполагается использовать дизельную электростанцию. Когда же скорость ветра достигает (8 м/с2 и более), дизельная электростанция прекращает свою работу и энергия вырабатывается ветроустановкой.

Принимаем расчетное значение мощности дизельной установки равным половине суммарного потребления активной мощности поселком:

Дизельные установки выполняются на стандартный ряд мощностей: 25, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 400, 630 кВт. Округляя полученное значение мощности до ближайшего большего стандартного значения, принимаем мощность дизельной установки равной 200 кВт.

Определим количество ВЭУ для конкретной местности. Для электроснабжения поселка используем два вида ветроустановок: Wincon и Seewind

1.3 Расчет выработки электроэнергии ВЭУ в конкретных условиях местности

Для определения ожидаемой выработки электроэнергии в конкретном местоположении необходимо располагать данными о распределении скорости ветра по градациям . Учитывая изменчивость скорости ветра во времени, для получения достоверных данных о повторяемости и необходимо иметь ряд наблюдений за период не менее 10 лет по флюгеру или анеморумбометру. Недостатком наземных наблюдений за ветром является существенная их зависимость от степени защищен­ности метеостанции. Практически наблюдения за ветром на метеостанциях характеризуют условия ветрового режима на самой станции, а ни того района, где предполагается устанавливать ВЭУ. Поэтому для того чтобы получить расчетные значения скорости ветра у земли лучше ис­пользовать данные радиозондовых измерений на различных высотах нижнего слоя атмосферы при условии их достоверности и репрезента­тивности. Преимущество такого подхода заключается в том, что здесь используются данные о скорости ветра на высотах, где влияние рельефа и прочих неоднородностей подстилающей поверхности несущественно.

Таблица 1.2.

Технические данные ВЭУ

Марка	Wincon	Seewind
Наименьшая мощность	200 кВт	110 кВт
Количество лопастей	3 против ветра	3 против ветра
Высота оси	28,7 м	34 м
Минимальная рабочая скорость ветра	4 м/с	2,8 м/с
Максимальная рабочая скорость ветра	25 м/с	25 м/с

В дальнейшем установки будут наименоваться по номинальной мощности:

ВЭУ-200; ВЭУ-110.

Таблица 1.3

Зависимости мощности ВЭУ от скорости ветра

Скорость ветра м/с	ВЭУ-110	ВЭУ-200
3	1	-
4	6	0,62
5	12	2,11
6	18	18,31
7	27	40,25
8	40	67,52
9	56	96,39
10	76	96,36
11	95	151,71
12	110	175,2
13	116	192,38
14	120	203,56
15	119	203,68
16	119	199,65
17	119	195,75
18	119	188,89
19	119	188,49
20	119	188,49
21	119	188,49
22	119	188,49
23	119	188,49
24	119	188,49
25	119	188,49

Таблица 1.4.

Сезон	10	20	40	60	80	100	M
Зима	1	1,12	1,26	1,35	1,43	1,50	0,17
Весна	1	1,17	1,36	1,50	1,59	1,66	0,22
Лето	1	1,18	1,40	1,55	1,67	1,76	0,24
Осень	1	1,12	1,26	1,35	1,43	1,50	0,17
Год	1	1,15	1,32	1,44	1,53	1,60	0,20

Табл.1.4. Коэффициент возрастания скорости ветра с высотой в нижнем 100-метровом слое атмосферы. Ровная открытая местность.

Таблица 1.5.

Месяц	Ui, м/с
январь	8,6
февраль	7,6
март	7,5
апрель	7,2
май	7,2
июнь	7,0
июль	6,4
август	6,7
сентябрь	7,4
октябрь	8,0
ноябрь	8,3
декабрь	8,4

Табл.1.5. Среднемесячная скорость ветра для заданной области

Средняя годовая скорость ветра принимается равной 7,5 м/с.

1. Для расчета выработки энергии ВЭУ в конкретном пункте на заданной высоте необходимо в значение скорости ветра на уровне флюгера ввес­ти поправку на уменьшение , приведя ее к высоте оси ветроколеса, с учетом рельефа и климатических условий местности, см. табл. 1.4.

2. На основе степенного закона ветра рассчитывается средняя скорость ветра, приведенная к высоте оси ветроколеса 28,7м. и 34м при m=0,2.

м/с

Скорость ветра на высоте Н(ВЭУ)

Uоси (ВЭУ-110)=10,02 м/с σ(ВЭУ-110)=5,01 м/с

Uоси (ВЭУ-200)=9,68 м/с σ(ВЭУ-200)=4,84 м/с

Определим годовую выработку электроэнергии ВЭУ:

Таблица 1.6.

Wincon 200
U0	Uiоси	Zi	σ*F(U)i	F(U)i	Ti	Pi	Wгод, кВт*ч
3	9.68	-1,380	0,19	0,039	343,770	0	0
4	-1,173	0,245	0,051	443,282	0,62	274,83
5	-0,967	0,3	0,062	542,795	2,11	1145,29
6	-0,760	0,33	0,068	597,074	18,31	10932,43
7	-0,554	0,362	0,075	654,972	40,25	26362,64
8	-0,348	0,375	0,077	678,494	67,52	45811,88
9	-0,141	0,372	0,077	673,066	96,39	64876,79
10	0,065	0,37	0,076	669,447	124,9	83613,93
11	0,272	0,335	0,069	606,121	151,71	91954,6
12	0,479	0,278	0,057	502,990	175,2	88123,83
13	0,685	0,268	0,055	484,897	192,38	93284,43
14	0,822	0,236	0,049	426,999	203,56	86919,84
15	1,029	0,21	0,043	379,956	199,65	75858,29
16	1,235	0,17	0,035	307,584	195,72	60200,29
17	1,442	0,15	0,031	271,397	188,89	51264,26
18	1,648	0,11	0,023	199,025	184,49	36718,08
19	1,855	0,09	0,019	162,838	184,49	30042,07
20	2,061	0,075	0,015	135,699	184,49	25035,06
21	2,268	0,06	0,012	108,559	184,49	20028,04
22	2,474	0,05	0,010	90,466	184,49	16690,04
23	2,681	0,035	0,007	63,326	184,49	11683,03
24	2,887	0,02	0,004	36,186	184,49	6676,01
25	3,094	0	0	0	184,49	0
Суммарная выработка ВЭУ:	927495,7

Для расчета выработки энергии ВЭУ в конкретном пункте на заданной высоте необходимо в значение скорости ветра на уровне флюгера ввес­ти поправку на уменьшение , приведя ее к высоте оси ветроколеса, с учетом рельефа и климатических условий местности.

U0 – скорость ветра с шагом в 1 м/с, начиная с минимальной рабочей скорости ветра, на высоте флюгера.

Ui – скорость ветра с шагом в 1 м/с, начиная с минимальной рабочей скорости ветра, приведена к высоте оси ВЭУ с годовым коэффициентом возрастания скорости.

где, - отклонение центрированной функции;

-среднеквадратическое отклонение скорости ветра на оси ВЭУ

f(U)- функция распределения от скорости;

закон распределения скорости в относительных единицах;

- определим по рис. 1.1.

Ti - время существования ветра с опредленной скоростью Ti=f(U)*8760

Рис.1.1. Распределение скорости ветра в безразмерных координатах.

Годовая выработка электроэнергии

Рис.1.2. Распределение скорости ветра для ВЭУ Wincon-200.

Таблица 1.7.

Seewind 110
U0	Uiоси	Zi	σ*F(U)i	F(U)i	Ti	Pi	Wгод, кВт*ч
3	10,02	-1,402	0,175	0,035	306,07	1	306,07
4	-1,202	0,238	0,048	416,26	6	2497,60
5	-1,002	0,28	0,056	489,72	12	5876,71
6	-0,803	0,32	0,064	559,68	18	10074,36
7	-0,603	0,357	0,071	624,40	27	16858,81
8	-0,403	0,375	0,075	655,88	40	26235,32
9	-0,204	0,38	0,076	664,62	56	37219,17
10	-0,004	0,372	0,074	650,63	76	49448,32
11	0,196	0,345	0,069	603,41	95	57324,17
12	0,395	0,31	0,062	542,19	110	59641,62
13	0,595	0,29	0,058	507,21	116	58837,07
14	0,795	0,243	0,049	425,01	120	51001,46
15	0,994	0,212	0,042	370,79	119	44124,3
16	1,194	0,178	0,036	311,32	119	37047,77
17	1,394	0,16	0,032	279,84	119	33301,36
18	1,593	0,12	0,024	209,88	119	24976,02
19	1,793	0,098	0,020	171,40	119	20397,08
20	1,993	0,08	0,016	139,92	119	16650,68
21	2,192	0,063	0,013	110,18	119	13112,41
22	2,392	0,054	0,011	94,44	119	11239,21
23	2,592	0,04	0,008	69,96	119	8325,34
24	2,791	0,025	0,005	43,72	119	5203,33
25	2,991	0	0	0	119	0
Суммарная выработка ВЭУ:	589698,2

Рис.1.3. Распределение скорости ветра для ВЭУ Seawind-110.

Зная график энергопотребления в % и суммарную мощность поселка, определим потребляемую мощность в кВт в зимний и летний период:

Таблица 1.8.

Зима,%	Лето,%	Зима, кВт	Лето, кВт	Рmax, кВт
60	40	192,53	128,35	320,88
50	30	160,44	96,26
70	35	224,62	112,31
70	35	224,62	112,31
90	60	288,79	192,53
100	60	320,88	192,53
90	55	288,79	176,48
100	60	320,88	192,53
70	40	224,62	128,35
70	40	224,62	133,38
60	30	192,53	96,26
65	40	208,57	133,38

Табл.1.8. Потребляемая мощность посёлка в кВт в зимний и летний период.

Энергия, потребляемая потребителем:

, где nз=215- количество зимних дней;

nл=150– количество летних дней.

Таблица 1.9.

	зима	лето
Wпотр, кВтч	1234906,68	505386,00
Wпотр год, кВтч	1740292,68

Табл.1.9. Энергия, потребляемая потребителем.

Зная потребляемую и вырабатываемую энергию, найдем количество ветроустановок для обеспечения электроснабжения поселка из условия:

где, N – это количество ВЭУ

Таблица 1.10.

Энергия выработанная ВЭУ, кВтч		Потребленная энергия, кВтч
1854991,34	>	1740292,68
1769094,63	>	1740292,68

К установке возможны два варианта. Вариант при котором необходимо установить 3 ВЭУ Seawind (Р=110) и вариант при котором достаточно установить 2 ВЭУ Wincon (Р=200кВт). Отметим что оба варианта удовлетворяют заданному условию и не превышают потребляемую энергию более чем на 10 %. При рассмотрении первого варианта видим что он получается дешевле второго, и превышает потребляемое количество энергии всего 1,6%. Тем самым он не дает возможности в развитии поселка.

Второй вариант хоть и превышает потребляемую энергию на 6,18% и незначительно дороже первого. Он дает гораздо более широкие возможности для развития поселка.

Таким образом, принимаем к установке 2 ВЭУ Wincon (Р=200кВт) . Тогда при питании потребителя четырьмя ВЭУ Wincon превышение генерации над потреблением составляет 6,18%. Следовательно, необходимо установить потребитель-регулятор на мощность 13,09 кВт, который будет компенсировать излишки электроэнергии. В качестве потребителя-регулятор может выступать нагревательный элемент, который будет нагревать воду, эту воду можно будет использовать для нужд поселка.

1.4. Выбор места расположения ВЭУ

При выборе расположения источников энергии необходимо учитывать экологические последствия от их работы.

Для исключения влияния помех на работу телевизионных, радиотехнических и др. систем рекомендуется следующие минимальные расстояния между ВЭУ и объектами:

- радио - и телепередатчики 6000 м;

- системы навигации 500 м;

- телеприемники 100-800 м;

- аэропорты 4000-6000 м.

Также кроме этого при работе ВЭУ возникают низкочастотные колебания, которые при работе ВЭУ в диапазоне частот 380 - 480 об/мин создают звуковые шумы мощностью 50 - 70 дБ днем и 40 дБ ночью на расстоянии 150-200 метров от ВЭУ.

Дизельная установка при работе выбрасывает в окружающую среду загрязняющие вещества, которые выделяются при сжигании топлива, следовательно, дизельную установку также необходимо удалить на некоторое расстояние от жилых объектов.

Принимая во внимание все вышеперечисленные факторы, располагаем ветроэнергетические установки на окраине жилого поселка. Дизельная электростанция может находиться в одном помещении с распределительным устройством, но вследствие того, что при работе дизельной электростанции создается шум и присутствует вибрация, располагаем дизельную установку рядом с распределительным устройством в отдельном помещении, но на общем фундаменте. Взаимное расположение всех комплексов поселка и источников энергии показано на рисунке 2.1.

1.5. Компоновка гондолы

В качестве компоновки гондолы выбираем простейшую конструкцию привода генератора с постоянными магнитами. Синхронный генератор явнополюсный, имеет постоянные магниты, 72 полюса и приводится во вращение односкоростным редуктором с передаточным числом приблизительно 9:1. Составляющие затрат простейшей конструкции зависят от выбора предаточного числа редуктора и диаметра генератора. Более высокие передаточные числа редуктора увеличивают скорость генератора, уменьшая размер и стоимость генератора. Тем не менее более высокие передаточные числа увеличивают размер редуктора и его стоимость. Большие диаметры генератора уменьшают необходимую длину генератора и активную материальную стоимость, но увеличивают затраты, чтобы сделать гондолу большего размера. Генератор, редуктор, главная ось и шестерня главной оси интегрирована в общий корпус. Размер генератора уменьшен благодаря использованию охлаждающей жидкости. Корпус связки генератор – редуктор поддерживается трубчатой структурой платформы. Сборочная верхушка башни имеет стекловолоконное покрытие. Ветроэнергетическая установка работает в режиме переменной скорости.

Выход генератора связан с сетью через вставку постоянного тока выпрямитель-фильтр-инвертор (ВФИ), которая обеспечивает работу ветроколеса с переменной скоростью (рис.1.4).

Рис.1.4. Функциональная блок-схема простейшей конструкции ВЭУ:

1- ветроколесо; 2 – одноступенчатый планетарный редуктор;

3 – статор синхронного генератора; 4 – ротор с постоянными

магнитами; 5 – синхронный генератор с постоянными

магнитами; 6 – система ВФИ

Для уменьшения стоимости ВФИ применяются кремниевые тиристоры. Пассивные кремниевые регулируемые выпрямители устанавливают со стороны генератора, чтобы из напряжения изменяемой частоты получить напряжение постоянного тока. Фильтр обеспечивает сглаживание выпрямленного напряжения. Затем это напряжение с помощью инвертора преобразуется в 690 В переменного тока промышленной частоты. После ВФИ необходимо установить фильтрокомпенсирующее устройство, которое снижает уровень высших гармоник.