Курсовая работа ветрогенераторы

метки: Ветрогенератор, Скорость, Лопасть, Мощность, Ветер, Дерево, Некрасовка, Использование

— 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 , 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.

^

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.

Разработка измерителя уровня шума

... 8 кГц. Для измерения эквивалентного уровня шума при усреднении за длительный период времени применяются интегрирующие шумомеры. Приборы для измерения шума строятся на основе частотных анализаторов, состоящих из набора полосовых фильтров и приборов, показывающих уровень звукового ...

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»).

^

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 5мм = 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.

^

Баллы	Характеристика силы ветра	Скорость ветра м/сек.	^	Объективное проявление
0	Штиль	0-0,2	0-0,7	Дым поднимается вертикально
1	Тихий	0,3-1,5	1,08-5,4	Дым начинает отклоняться от вертикального положения, флюгеры, даже самые чувствительные, не вращаются
2	Легкий	1,6-3,3	5,76-11,9	Движение ветра ощущается лицом, шелест листьев, приводятся в движение флюгеры, ветрогенераторы входят в рабочий режим
3	Слабый	3,4-5,4	12,24-19,4	Листья и самые тонкие ветки деревьев колышутся, развеваются флаги, установленные на высоте
4	Умеренный	5,5-7,9	19,8-28,4	Ветер поднимает пыль и мелкие бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев
5	Свежий	8-10,7	28,8-38,5	Качаются тонкие стволы деревьев диаметром 2 — 4 см, на морских волнах появляются гребешки, ветрогенераторы выходят на максимальную мощность
6	Сильный	10,8-13,8	38,88-49,9	Качаются толстые сучья деревьев диаметром 6 — 8 см, слышен шум ветра в телеграфных проводах
7	Крепкий	13,9-17,1	50,04-61,6	Качаются стволы деревьев в верхней их части, идти против ветра неприятно
8	Очень крепкий	17,2-20,7	61,92-74,5	Ветер ломает сухие сучья деревьев, идти против ветра очень трудно
9	Шторм	20,8-24,4	74,88-87,8	Небольшие повреждения; ветер срывает незакрепленные дымовые колпаки и ветхую черепицу
10	Сильный шторм	24,5-28,4	88,2 -102,2	Разрушения кровельных покрытий и неукрепленных конструкций, ослабленные деревья вырываются с корнем, автоматическое отключение ветрогенераторов
11	Жестокий шторм	24,5-32,6	102,6 -117,4	Большие разрушения на значительном пространстве
12	Ураган	32,7 и более	117,7 и более

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)

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:

м/с	Вт/м2
1	1
3	17
5	77
9	477
11	815
15	2067
18	3572
21	5672
23	7452

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.

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:

^

Поставщик: Нижний Новгород

Максимальная мощность генератора (Вт) — 500000

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

^

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. 12В 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 = 2470000 кВт)

Рмах – максимальная мощность станции, 500кВт

Тмах = 2470000/500 = 4940ч

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

I = Pг/1,73*Uн = 145000/1,73*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

^

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.

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 )

^
Растояние до сечения от оси вращения, см.	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150
Угол установки сечения, град.	57,9	38,5	28,0	21,7	17,7	14,9	12,8	11,3	10,0	9,0	8,2	7,6	7,0	6,5	6,1

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 * V

P — мощность (Вт);

Q — плотность воздуха (1,23 кг/м ³ );

S — площадь ометания ротора ( м ² );

• V — скорость ветра ( м/с );

P = 0,5 *Q * S * V

P — мощность (Вт);

Q — плотность воздуха (1,23 кг/м ³ );

S — площадь ротора ( м ² );

• V — скорость ветра, ( м/с) ;
• Cр — коэффициент использования энергии ветра;
• Ng — КПД генератора;
• Nb — КПД повышающего редуктора.

F = 0,5 *Q * V

Где:

• F – сила давления ветра ( кгс );

Q — плотность воздуха (1,23 кг/м ³ );

S — площадь ротора ( м ² );

• 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

^

Таблица №3

Класс установки	Мощность, кВт	Диаметр колеса, м	Количество лопастей	Назначение
Средняя мощность	100 — 600	25 — 44	2 — 3	Энергетика

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

^
Диаметр ветроколеса (м)		Скорость ветра м/с
Ветроколесо	Z	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2-лопастное	7	67	134	201	268	334	401	468	535	602	669	736	803
3-лопастное	5	48	96	143	191	239	287	334	382	430	478	525	573

^

Шаг ветроколеса	1,5	м.	Быстроходность ветроколеса					5-7	Z	КПД мультиплексора				0,7
Диаметр ветроколеса наружн.	3,1	м.	Площадь ветроколеса					7,4	м.кв.	Сопротивление генератора				0,5	Ом
Диаметр ветроколеса внутр.	0,4	м.	Площадь 1-й лопасти					0,5	м.кв.	Обороты генератора на 1 v				43	об/мин
Ширина лопасти	0,2	м.	Площадь всех лопастей					1,5	м.кв.	Коэффициент редуктора 1:				40
Количество лопастей	2-3	шт.	Коэффициент заполнения					0,5		Напряжение нагрузки				28	V
Коэфф. использования энергии ветра	0,35		КПД генератора					0,7		Ток обмотки возбуждения				0,5	A
Высота установки над землей	9	м.	Обороты генератора					1204	об/мин	Сопротивление нагрузки				1	Ом
^
Растояние до сечения	10	21	31	41	52	62	72	83	93	103	114	124	134	145	155
Угол установки сечения (град.)	66,6	49,1	37,6	30,0	24,8	21,1	18,3	16,1	14,4	13,0	11,9	10,9	10,1	9,4	8,8
^
Скорость ветра на высоте земли (м/с)	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Скорость ветра на высоте X (м/с)	3,7	4,9	6,2	7,4	8,6	9,9	11,1	12,3	13,6	14,8	16,0	17,3	18,5	19,8	21,0
Давление ветра	6,4	11,3	17,7	25,5	34,7	45,4	57,4	70,9	85,7	102,0	119,8	138,9	159,4	181,4	204,8
^
Обороты ветроколеса (об/мин)	27	33	36	41	48	57	65	71	77	83	89	95	101	107	114
Обороты генератора. (об/мин)	1096	1320	1452	1647	1921	2284	2593	2836	3080	3323	3567	3810	4054	4297	4540
Напряжение ( V )	25	31	34	38	45	53	60	66	72	77	83	89	94	100	106
Ток в цепи нагрузки ( А )	0,0	2,7	5,8	10,3	16,7	25,1	32,3	38,0	43,6	49,3	54,9	60,6	66,3	71,9	77,6
Мощность реальная ( Вт)	0	76	161	289	467	704	904	1063	1221	1380	1538	1697	1855	2014	2173
КПД установки, ( % )	0,0	13,8	15,0	15,6	15,9	16,0	14,5	12,4	10,7	9,3	8,2	7,2	6,4	5,7	5,2

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

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.

^

Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом. Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач — трансмиссию.

^

Система контроля угла наклона лопастей

^

^

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.

^

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 129180 кВт*ч. 1 кВт энергии для предприятий в настоящее время составляет 2,85руб. Из этого можно найти срок окупаемости затрат:

Токуп = П/Пч

Пч = П – З,

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*129180*2,85 = 2466692 руб

Пч = 2466692 – 900000 = 1566692 руб

Токуп = 2466692/1566692 = 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:

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/na-temu-vetrogeneratoryi/

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.

Сайт:

---

---