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:
[pic], (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:
[pic], (2.3.14.) где: Eа- емкость аккумулятора, А ч;
Uа- напряжение аккумулятора, В.
[pic]
Принимаем Еа = 10((6СТ-210) = 2100 А(ч.
Таким образом, параметры энергосистемы на основе ВИЭ следующие:
Основной источник В-установка, Рв= 3 кВт;
Дополнительный источник С-установка, Рс= 0,72 кВт;
Резерв, аккумуляторы 6СТ-75 Еа= 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 /:
[pic],
(3.2.1.) где: Мг - момент на валу генератора от ветроколеса, Нм;
Мвт - момент на валу ветроколеса, Нм; nГН,nВН - номинальные обороты генератора и ветроколеса соответственно, об/мин.
В силу того, что необходимо иметь максимальный момент на валу генератора, а не ветроколеса, то нельзя без расчетов утверждать, что ветроколесо с большим количеством лопастей, а значит и с большим крутящим моментом, будет более эффективно, так как при этом уменьшается отношение nГН/nВН.
Крутящие моменты ветроколес зависят от профиля лопасти, который
выбирается исходя из назначения и мощности ветроустановки. Для В-установок
малой и средней мощности, приводящих во вращение электрогенераторы,
приемлем профиль "Эсперо", и имеются справочные данные об относительных
моментах ветроколес с таким профилем лопастей /43/. Под относительным
моментом подразумевается отношение момента ветроколеса с конкретным
количеством лопастей к моменту условного ветроколеса с бесконечным
количеством лопастей, при котором крутящий момент принят равным единице
/43/. С учетом этого, функция оптимизации будет иметь вид:
[pic]
(3.2.2.) где: Мг,Мв - относительные моменты, о.е.
Так как момент зависит от скорости вращения ветроколеса, которая в свою
очередь зависит от скорости ветра, то вводится понятие "модуль ветроколеса"
/18,43/, который равен:
[pic]
(3.2.3.) где: Z - модуль ветроколеса,о.е.; w - угловая скорость вращения ветроколеса, с-1;
R- радиус ветроколеса, м;
Vв - скорость ветра, м/с.
В таблице 3.2.2. приведены относительные моменты на валу генераторов от ветроколес, работающих в номинальных режимах.
Таблица 3.2.1.
Относительные моменты и модули ветроколес с лопастями "Эсперо".
|Параметры |Значение параметров при м |
| |2 |3 |4 |6 |
|Vв, м/с |6,5 |6,5 |6,5 |6,5 |
|Мопт, о.е. |0,09 |0,12 |0,14 |0,19 |
|Zном, о.е. |5,0 |4,0 |3,5 |2,5 |
|nВН, об/мин |310 |250 |220 |155 |
|Ммах, о.е. |0,100 |0,135 |0,150 |0,195 |
|Zмах, о.е. |4,40 |3,30 |3,00 |2,30 |
|nВ МАХ,об/мин |275 |200 |185 |140 |
|[pic], о.е. |1,11 |1,13 |1,07 |1,03 |
|[pic], о.е. |1,14 |1,21 |1,16 |1,09 |
Таблица 3.2.2.
Моменты на валу генераторов от ветроколес
|Число |Момент на валу генератора(о.е.*10-2) при n0, об/мин |
|лопастей | |
| |3000 |1500 |1000 |750 |600 |500 |375 |300 |250 |
|2 |0,75 |1,5 |2,3 |3,0 |3,8 |4,5 |6,0 |7,5 |9,0 |
|3 |0,80 |1,6 |2,4 |3,2 |4,0 |4,8 |6,4 |8,0 |9,6 |
|4 |0,82 |1,6 |2,4 |3,2 |4,1 |4,9 |6,5 |8,2 |9,8 |
|6 |0,79 |1,6 |2,4 |3,2 |4,0 |4,8 |6,3 |7,9 |9,5 |
Как видно из таблицы 3.2.2., наиболее предпочтительными для всех генераторов являются ветроколеса с числом лопастей от 3 до 6. Но так как ветроколесо с тремя лопастями обладает (см. табл. 3.2.1.) наибольшей перегрузочной способностью (Ммах/Мопт) и наибольшим диапазоном рабочих скоростей (Zном/Zмах), то окончательно принимается ветроколесо с тремя лопастями. Так как номинальные обороты ветроколеса небольшие, то целесообразно применять генераторы с большим числом пар полюсов р > 3.
Диаметр ветроколеса связан с мощностью ветроэнергетической установки следующей формулой /18,43,45/:
[pic], (3.2.4.) где: hв, hп - к.п.д. ветроколеса и передачи;
V/ - математическое ожидание скорости ветра в рабочем диапазоне, м/сек. r - плотность воздуха кг/м3, r = 1,36 кг/м3 / 21 /.
Для трехлопастного ветроколеса hв = 0,45 /43/. К.П.Д. передачи
принимаем ?п = 0,98 /21/. Расчет ведем для генератора с nг = 500 об/мин.
Рабочий диапазон скоростей ветра 4...16 м/с /38/.
Для этого диапазона Vв = 6,5 м/с, iп = 1,5.
[pic](м)
Принимаем D = 4,0 м.
Внешний вид предлагаемой В-установки показан на листе 6.
4. КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Как отмечалось ранее (см.п. 1.1.) для маломощных солнечных энергоустановок наиболее эффективным является фиксированный солнечный коллектор. Так как фиксированный коллектор не является следящим устройством, то его ориентация играет особо важную роль в эффективности всей установки. Очевидно солнечный коллектор должен быть ориентирован таким образом, чтобы за все время его использования он получал наибольшую суммарную энергию солнца.
Плотность солнечного излучения, поступающего на солнечный коллектор, определяется по формуле /18,37/:
[pic], (4.1.1.) где: Sк - суммарная за год плотность солнечного излучения на коллектор с параметрами ориентации ( и (, Вт/м2;
Sпi - плотность солнечного излучения на перпендикулярную к нему площадку за i-тый промежуток времени, Вт/м2;
(i - средний угол солнца над горизонтом в i-тый период времени, град;
(сi - средний азимут солнца за i-тый период времени, град.
Учитывая, что метеорологические станции имеют наиболее полную информацию о плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность, выразим Sп через Sг /37/:
[pic],
(4.1.2.)
Тогда (4.1.1.) будет иметь вид:
[pic], (4.1.3.)
Как видно из (4.1.3.) суммарная годовая плотность солнечного излучения на фиксированный коллектор зависит от двух параметров g и b.
Оптимальное значение угла g определяется из равенства /32/:
[pic],
(4.1.4.)
Проведем вычисления:
[pic] [pic], (4.1.5.)
Воспользуемся тригонометрическим тождеством :
[pic], (4.1.6.)
Обозначив[pic], разделив (4.1.5.) на [pic] и с учетом (4.1.6.), получим:
[pic] , (4.1.7.)
Откуда определяем:
[pic], (4.1.8.)
Или проведя обратную подстановку [pic], окончательно получаем:
[pic], (4.1.9.)
Как видно из (4.1.9.), оптимальный азимутный угол ориентации солнечного коллектора не зависит от угла его наклона к горизонту.
[pic], (4.1.10.)
Оптимальный угол ( определяется при условии ( = (опт из условия:
[pic],
(4.1.11.)
Выполняем вычисления:
[pic], (4.1.12.)
В результате расчетов получены следующие параметры ориентации солнечного коллектора:
- азимутный угол должен состовлять -12,5 град., т.е. солнечный коллектор должен быть повернут на 12,5 град. на юго-восток;
- угол наклона к горизонтальной поверхности должен состовлять 41,6 град.
Такая ориентация солнечного коллектора объясняется тем, что в
Ростовской области в среднем за год в первой половине дня более ясная
погода чем во второй половине дня.
