Роторная ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения рассредоточенных сельскохозяйственных объектов: Для условий Ростовской области

Современное состояние традиционной энергетики характеризуется обострением проблем, важнейшими из которых являются истощение запасов ископаемого топлива и неблагоприятное воздействие на экологию. Естественно, что возникновение проблем вынудило искать пути их устранения. В результате было предложено несколько направлений их преодоления, таких как освоение энергосберегающих технологий, изыскание и применение новых видов топлива, использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Анализ этих направлений показывает, что первые два не способны устранить возникшие проблемы полностью. Освоение ВИЭ также затруднительно. Так, для многих возобновляемых источников энергии характерно нерегулярное и неуправляемое поступление энергии и высокая стоимость энергетических установок на их основе. Первый сдерживающий фактор приводит к снижению надежности электроснабжения, а второй — к значительному повышению стоимости электроэнергии.

Для увеличения надежности электроснабжения можно прибегнуть к завышению мощности энергоустановок и аккумулированию энергии, но это приводит к росту второго сдерживающего фактора.

На основании изложенного, многие склоняются к мнению, что электростанции на ВИЭ могут найти применение только как разгрузочные для традиционных систем электроснабжения, то есть для выравнивания графиков нагрузки тепловых электростанций. Применение же автономных систем электроснабжения малоперспективно.

Однако в России, в результате перехода на многоукладную экономику в сельском хозяйстве, стали появляться и развиваться фермерские хозяйства. В Ростовской области фермерские хозяйства представляют собой малые производственные предприятия, имеющие в своем составе усадьбу, значительно удаленную от населенных пунктов, и сельхозугодья площадью от нескольких десятков до двух — трех сотен гектар. Установленная мощность таких хозяйств составляет 1,5−4 кВт, для механизации производственных процессов применяется, в основном, автотракторная техника.

Значительное удаление фермерских хозяйств от электрических сетей делает автономное электроснабжение единственно приемлемым вариантом. Причем, в настоящее время для автономного электроснабжения фермеры применяют передвижные бензиновые или дизельные электростанции. Однако применение передвижных электростанций приводит к обострению упомянутых выше проблем использования ископаемого топлива, а непрерывное его удорожание вынуждает фермеров искать альтернативные способы электроснабжения.

В этой связи, нами было принято решение изыскать возможности использования для автономного электроснабжения фермерских хозяйств энергии ветра, как наиболее дешевого возобновляемого источника энергии.

Учитывая, что надежность электроснабжения от передвижной электростанции достаточно высокая, и сознавая, что альтернативный вариант должен быть предельно дешевым, целью работы является снижение затрат на автономное электроснабжение рассредоточенных сельскохозяйственных объектов за счет применения ветроустановок роторного типа.

Научная гипотеза — обеспечить стабильность частоты вращения синхронного генератора можно за счет электромагнитной связи его ротора с ветроколесом.

Рабочая гипотеза — электромагнитная связь синхронного генератора с ветроколесом позволит применить в автономной системе электроснабжения ветроустановку типа ротора Савониуса, наиболее дешевую в настоящее время.

Объектом исследований является ВУ роторного типа с преобразователем механической энергии в электрическую энергию переменного тока.

Предметом исследований является зависимость частоты вращения синхронного генератора от мощности ветра и графика работы потребителей и зависимость стоимости автономной системы электроснабжения от ее параметров и параметров ветра.

Формула исследований — в диссертации была исследована ветроэнергетическая установка роторного типа для автономного электроснабжения рассредоточенных сельскохозяйственных объектов, отличающаяся тем, что предложен способ привода СГ от ВУ роторного типа, позволяющий более эффективно использовать энергию ветра и за счет этого уменьшить стоимость ВУ и емкость аккумуляторных батарей.

Задачи исследований.

1. Проанализировать работу ветроэнергетических установок с точки зрения более полного использования диапазона скоростей ветра и получения стабильной частоты эдс, и обосновать способ привода синхронного генератора от роторной ветроустановки.

2. Разработать методику и оптимизировать параметры автономной системы электроснабжения на основе ветроустановки роторного типа.

3. Исследовать предложенную ветроустановку для получения электроэнергии переменного тока на устойчивость при реальном изменении поступающей и потребляемой энергии.

4. Исследовать работоспособность предложенного привода синхронного генератора от ВУ роторного типа во всем диапазоне допустимых скоростей ветра при реальном изменении электрической нагрузки.

5. Проверить путем машинного моделирования достоверность и надежность полученных результатов и разработать региональные агрозоотехнические требования на автономные системы электроснабжения, использующие энергию ветра.

6. Установить условия эффективного применения автономных систем электроснабжения на основе ВУ типа ротора Савониуса и оценить эффективность полученных результатов.

В ходе выполнения задач, обусловленных поставленной целью, были получены следующие новые научные результаты, которые и выносятся на защиту: способ использования роторных ВУ для получения электроэнергииметодика оптимизации и оптимальные параметры автономной системы электроснабжения фермерских хозяйств на основе использования энергии ветраметод машинного моделирования законов распределения ветровых и штилевых периодов.

Работа выполнялась в рамках Научно-технической программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996 — 2000 г. г. и на 2001 — 2005 г. г. в соответствии с научной проблемой 12 «Разработать научные основы развития системы технолого-технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики» и задания 04.02. «Разработать научные основы создания нетрадиционных источников энергии» .

ВЫВОДЫ.

В работе были проведены исследования привода синхронного генератора от ВУ роторного типа, в результате которых можно сделать следующие выводы.

1. Эффективность применения энергии ветра для автономного электроснабжения в настоящее время недостаточна, так применение ветроустановок пропеллерного типа обуславливает высокую стоимость электроэнергии около 5 руб. за кВт. ч и низкий коэффициент использования ветроэнергетических ресурсов (при скорости ветра выше рабочей не используется около 50% его энергии). Устранить эти недостатки путем применения ВУ типа ротора Савониуса.

2. Впервые удалось обеспечить стабильную частоту эдс синхронного генератора при любой частоте вращения ротора Савониуса, путем передачи вращающего момента за счет электромагнитных сил. При этом независимость частоты вращения генератора от частоты вращения ветроколеса позволяет использовать энергию ветра во всем допустимом диапазоне скоростей ветра (4−18 м/с).

3. Для оптимизации параметров ВУ при предложенном преобразовании энергии достаточно учитывать только продолжительности непрерывных штилевых периодов. Разработанная методика оптимизации параметров автономной системы электроснабжения основывается на целевой функции, которая описывает зависимость стоимости системы от скорости ветра и мощности нагрузки, и учитывает продолжительность штилевых периодов. Установлено, что оптимальная рабочая скорость ветра ВУ не зависит от мощности потребителя, но зависит от продолжительности штилевых периодов. Реализация целевой функции показала, что для условий Ростовской области оптимальными являются следующие параметры: рабочая скорость ветра 5,56 м/с, площадь ВУ 14 м² (при КПД 0,20), емкость аккумуляторных батарей 180А.Ч.

4. Исследования ВУ на устойчивость классическим и машинным методом показали, что предложенный вариант системы получения электроэнергии переменного тока устойчив к внешним возмущениям. При этом за все время переходного процесса (15 сек) частота эдс не выходит за допустимые пределы при реальном изменении поступающей и потребляемой энергии. Отклонения экспериментальных данных изменении частоты от расчетных значений составляет 5%.

5. Экспериментальные и теоретические исследования предложенного привода синхронного генератора в условиях реального изменения скорости ветра и электрической нагрузки показали его работоспособность.

6. Машинное моделирование процесса энергообеспечения в реальных условиях Ростовской области подтвердило достоверность полученных результатов. Вероятность энергообеспечения составила 0,93 (при расчетной 0,9).

7. Предлагаемая ВУ для автономного электроснабжения не чувствительна к естественным изменениям цен, но сильно зависит от распределения ветровых характеристик (ветровой кадастр и закон распределения штилевых периодов), т. е. зависит от климатической зоны. Это позволило сформулировать агрозоотехнические требования на автономные системы электроснабжения на основе ВУ для условий Ростовской области.

8. Установлено, что создание автономных систем электроснабжения на основе ВУ типа ротора Савониуса экономически оправдано при удалении фермерских хозяйств от точки возможного присоединения к энергосистеме на 2 — 3 км. При этом для вероятности энергообеспечения 0,9 затраты не превышают 130 тыс. руб., себестоимость электроэнергии составляет 1,21 руб/кВт.ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований установлено:

В настоящее время обостряются проблемы использования ископаемого топлива в традиционной энергетике. Эти проблемы выражаются в ускоренном истощении ископаемых ресурсов и неблагоприятном воздействии на экологию.

Для преодоления выявленных проблем предлагается несколько путей, среди которых поиск и освоение новых видов топлива, разработка энергосберегающих и природоохранных технологий, развитие энергетики на ВИЭ. Первые два пути наиболее изучены в настоящее время, но не обеспечивают полное устранение проблем традиционной энергетики, а лишь отодвигают сроки кризиса. Использование ВИЭ позволит полностью устранить возникшие проблемы, однако в настоящее время не готовы к широкомасштабному применению.

Наиболее существенными факторами, сдерживающими широкое внедрение ВИЭ, являются их неуправляемость и высокая стоимость электроэнергии.

Изменение условий хозяйствования в России привело к многоукладно-сти агропромышленного сектора и появлению фермерских хозяйств, которые, в основном, представляют собой малые сельскохозяйственные предприятия, удаленные от населенных пунктов на значительные расстояния, и имеющие производственно бытовую электрическую нагрузку со среднесуточной мощностью 0,2 — 1,0 кВт.

Значительное удаление фермерских хозяйств от населенных пунктов и сельских электросетей вынуждает применять для их электроснабжения автономные электростанции. В настоящее время для этих целей рекомендуется применять ветроэнергетические установки пропеллерного типа. Использование энергии ветра отвечает концепции устранения проблем традиционной энергетики.

Применение пропеллерных ветроустановок не позволяет наиболее эффективно использовать энергию ветра, а автономные системы электроснабжения на их основе остаются все еще дорогими. В этой связи перспективно использование для электроснабжения фермерских хозяйств ветроэнергетических установок типа ротора Савониуса.