CC BY
70
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
УДК 621.311+620.92
КОМБ1НОВАНА МОБ1ЛЬНА СИСТЕМА ОСНОВНОГО I РЕЗЕРВНОГО ЖИВЛЕННЯ ЕЛЕКТРОСПОЖИВАЧ1В МАЛО1 ТА СЕРЕДНЬО1
ПОТУЖНОСТ1
ШКРАБЕЦЬ Ф.П. доктор техшчних наук, професор, заввдувач кафедри вiдновлюваних джерел eHeprii' Нацiонального техшчного унiверситету "Дншровська полггехшка", Днiпро, Украша e-mail: ShcrabetsF@nmu.org.ua;
БЕРДНИК В.В. астрант кафедри ввдновлюваних джерел енергп Нацюнального технiчного унiверcитету "Дшпровська полггехшка", Дншро, Укра1на e-mail: Berdnik.V.V@nmu.one.
Мета. Мета роботи полягае в розробц мобтьноИ комбтованог системи основного i резервного живлення на основi вiдновлюваних i традицшних джерел енергп для електроживлення малопотужних споживачiв у вiд-далених вiд загально'1 електромережi регюнах; в описаннi конструкци запропоновано'1 системи; в розробц блок-схеми алгоритму контролю i управлтня елементами системи задля досягнення найбшьш ефективного енергоживлення споживачiв при подальшому впровадженш та удосконаленш системи.
Методи до^дження. Для проведення до^джень використанi: метод аналтично'1 обробки оглядових матерiалiв з питання стану розвитку альтернативно'1 енергетики на сучасному етапi та кнуючих на сьогоднi проблем, щодо енергозабезпечення малопотужних вiддалених енергоустановок, а також шляхiв Их подолання завдяки моделюванню можливих систем безперебшного живлення; метод системного аналiзу комплексноi оцi-нки потенщалу комбiнованоi мобiльноi системи основного та резервного живлення на основi сучасних комп 'ютерних технологш.
Отримат результати. При аналiзi матерiалiв робт вiдповiдно до тематики до^дження, виявлено та доведено доцiльнiсть створення та подальшого удосконалення систем комбтованого електроживлення малопотужних споживачiв з метою забезпечення енергобалансу Днтровського регюну (Укрмна). Запропоновано варiант конструкци комбтовано'1' системи на основi традицшних i вiдновлюваних джерел: зокрема, розроблено блок-схему алгоритму контролера управлтня комбтованою системою. Представлено механизм дп запропоновано'1' блок-схеми алгоритму, а також отриманi та проаналiзовати графiчнi залежностi: коефщенту поту-жностi вiд величини швидкохiдностi втроагрегату Cp=f(Z); механiчного моменту втротурбти вiд коефiцiе-нту швидкохiдностi реальноi втроустановки M=f(Z). Представлено результати розрахунку виробтку елект-роенерги, W, [кВтгод] протягом року потенцшною втроелектроустановкою.
Наукова новизна полягае в запропонованш блок-схемi алгоритму контролю i управлтня комбтованою системою резервного електропостачання, яка дозволяе двигунам вiтроустановки та дизельного агрегату попе-ремiнно працювати на один загальний електрогенератор.
Практична цтшсть роботи полягае у створеннi системи гарантованого енергозабезпечення та розпо-дшу електроенерги для малопотужних споживачiв енергп ргзного призначення; пiдвищеннi ефективностi, гну-чкостi та надiйностi системи i, в юнцевому рахунку, зменшеннi енергетичноi залежностi кра'ни вiд iмпорту традицшних викопних енергоресурав, перетворення яких призводить до негативних на^дюв щодо екологи кра'ти. Впровадження запропонованоi блок-схеми алгоритму контролю i управлтня енергосистемою дозволить знизити витрати на ii обслуговування, наприклад, поточний ремонт, тощо та, вiдповiдно, варткть системи вщлому.
Ключовi слова: резервне електропостачання; енергоспоживання, в1дновлюват джерела енергп; комбто-вана система; втроелектрогенератор; двигун; дизельний агрегат; потужтсть; блок-схема; мобЫьтсть, ефективтсть, залежшсть.
I. ВСТУП
У зв'язку з юнуючими проблемами, викликаними нестачею викопних видiв палива i 1х шюдливим впли-вом на навколишне середовище, виникае потреба у розробц та використанш нових енергозберпаючих технологш на оcновi ввдновлюваних джерел енергп.
Велику роль сьогодш вщграюсь системи резервного живлення. Оскшьки виникнення аваршних си-
© Шкрабець Ф.П., Бердник В.В., 2018
DOI 10.15588/1607-6761-2018-2-5
туацш в електромереж^ або зупинка в робот установок може спричинити значш збитки, резервне живлення е необхвдною умовою, насамперед, для спожи-вачiв ввдповщальних категорш.
Питання забезпечення електроенерпею моб№-них установок та вщдалених автономних об'екпв невелико! потужносп в наш час стають актуальними у зв'язку з необхщшстю обгрунтування техшчно! та економiчноi доцшьносп створення систем транспор-
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
тування електроенерги. При цьому, поки що не роз-робленi можливостi використання нетрадицшних i вiдновлюваних джерел енерги (ВДЕ) для живлення названих споживачiв. Даш технологи можуть бути реалiзованi в сферi малопотужних, до 10 кВт, спожи-вачiв, з метою забезпечення !х безперебiйного елект-роживлення. Бшьш детальний аналiз споживачiв приведений у робот [1].
Системи резервного живлення малопотужних установок та об'екпв середньо! потужностi зазвичай використовують як джерело електроенерги, виробле-но! за рахунок спалювання викопного палива. Таким чином, при впровадженш систем безперервного живлення використовують двигуни внутршнього згорян-ня рiзних титв у комбшацп з генератором. У б№шо-стi випадк1в живлення ввд генераторiв не е як еконо-мiчно, так i енергетично дошльним, на вiдмiну вiд систем резервного живлення на основi ВДЕ.
Генератори до 10 кВт, особливо бензиновi i газо-вi, на ввдмшу вiд iнверторних систем резервного живлення, зазвичай не мають стабшзаци напруги за частотою - це супроводжуеться гармонiйними викрив-леннями виробленого струму, що може призвести до некоректно! роботи i виходу з ладу чутливого устат-кування. Генератори при робот створюють шум бли-зько 65dB. Також недолiком при робоп генераторно! установки е наявнiсть викидiв вихлопних газiв (СО, СО2, N0 та ш). Витрати на паливо, у випадку використання генераторiв за час експлуатацп можуть пе-ревищувати вартiсть самого генератора в п разiв. 1с-нуе необхщшсть постiйного технiчного контролю генераторiв в середньому кожнi 100 - 200 мотогодини (дешевi моделi - частше): долив палива, замiна масла, охолоджуючо! рiдини, фiльтрiв, регулювань i т.д. Слад також врахувати цши на комплектуючi витратнi матерiали, так як фiльтри, масло тощо. Системи резервного живлення на базi iнверторiв, наприклад, е пов-шстю необслуговуваними.
Використання електрогенераторiв передбачае впровадження напiвпровiдникових систем керування. Використання дешлькох генераторiв суттево збiльшуе габарити регулятора, що значно тдвищуе його вар-тiсть та вартiсть уие1 установки [2].
Генераторш системи резервного живлення вико-ристовуються здебiльшого в регюнах, в яких, шдве-дення стащонарних або тимчасових ЛЕП для живлення вщдалених споживачiв економiчно недоцшьно, оск1льки потребуе значних капiтальних вкладень. Використання дизельних генераторiв мае масу недолЫв, вiд необхiдностi своечасного ремонту до малого тер-мшу служби, але задля досягнення безперебшного енергозабезпечення споживачiв, ввдмовитися ввд них повшстю неможливо. З метою економп пального, зниження залежностi вiд зовшшшх поставок енерго-ресурсiв, зменшення впливу на екологш, а також для забезпечення безперебшносп роботи обладнання ю-нуе необхiднiсть у створеннi автономних систем основного i резервного живлення на базi ВДЕ у комбь
наци з електрогенераторами. В данш po6oTi пропону-еться варiант комбшовано! мобшьно! системи безперервного живлення (КМС) на базi впродвигуна та дизельного двигуна, працюючих на один генератор. Впровадження запропоновано! системи дозволить уникнути недолiкiв, пов'язаних з використанням де-к1лькох електрогенераторiв в однш системi та, в свою чергу, КМС матиме переваги енергетичних установок на базi ВДЕ.
Дана система буде використовуватися для резервного живлення вщдалених в!д загально! системи еле-ктропостачання споживачiв, а саме живлення малопотужних електроприладiв, нагр!ву води, тощо.
II. АНАЛ1З ДОСЛ1ДЖЕНЬ I ПУБЛ1КАЦ1Й
Серед публшацш закордонних науковцiв i досль днишв чiтко видiляeться тенденцiя до використання ВДЕ у якосп джерел живлення моб!льних спожива-чiв, як1 ввддалеш вiд загально! мереж! електропоста-чання, а також до впровадження комбшованих систем резервного живлення на основ! вiтрогенераторiв.
В якосп одного з найбшьш перспективних джерел енерги вид!ляють енергш сонячного випромшю-вання. У робот! [3] зазначаеться, що сонячна енерпя е найкращим вар!антом через li поширешсть, значне со-нячне випромшювання та загальний надлишок в природ!. В свою чергу, в1гер - невичерпне джерело енерги, використання яко! у пор!внянш з шшими ВДЕ може сприяти пвдвищенню ефективносл енергоуста-новок [3].
Зпдно [4], використання систем збереження до-зволяе досягти плавно! криво! генеровано! потужнос-т! Впродизельш системи мають постшно зростаюче значення рентабельности що говорить про !хню ефек-тившсть [5].
В [6], стосовно комбшованих пбридних систем на основ! двигушв внутршнього згоряння, дизельш двигуни рекомендуеться використовувати у якосп джерела резервно! потужносп.
В шших роботах пропонуються схемш ршення автономних комбшованих систем електропостачання на баз! фотоелеменпв та використання додаткових пристро!в, концентратор!в, за рахунок яких можливо збшьшити частку перетворюваного в електроенерпю сонячного випромшювання.
Останш видан! закордонш публшацп на досль джувану тематику можна знайти у автор!в з багатьох европейських та шших кра!н, серед яких е автори з Великобритани [7], [8], як1 дослщжують проблему автономного вщдаленого постачання енергоноспв для сшьського господарства; 1спанп, роботи яких пов'язаш з приладами перетворення енерги та контролерами управлшня системами автономного елект-розабезпечення [9], [10]. У роботах автор!в з 1ндп також виршуеться питання управлшня системами електропостачання на основ! ввдновлюваних джерел [11]. У роботах Французьких дослщнишв виршуеться за-
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
вдання штеграцп енергосистем до розумно! мереж1 (Smart Grid) [12], [13]; в роботах aBTopiB Саудiвськоï Аравп, наприклад в [14], також вивчаються системи резервного електрозабезпечення на вiдновлюваних джерелах. Проблемою забезпечення електроенерпею вiддалених споживачiв займаються також науковцi Малайзiï, Iталiï, та шших краш
В публiкацiях авторiв вирiшуеться питання ефе-ктивного впровадження ввдновлюваних джерел в системи резервного живлення вщдалених ввд загальноï енергомережi енергетичних об'ектiв.
Питання автономних систем резервного електро-постачання також широко вивчаеться й у крашах по-страдянського простору. Так, автори вивчають мож-ливостi розробки та використання систем на базi ВДЕ з метою зменшення шкiдливих викидiв.
Принцип роботи КМС з одним електрогенерато-ром, аналогiчний запропонованому в данш робоп, розглядався у [15]. В бтшосп робiт була запропоно-вана схема комбiнованоï роботи вгтрового та теплового агрегату з використанням двох муфт вiльного ходу. В [15] напроти, розглядаеться комбшоваш автономнi вiтроелектричнi системи з використанням як дизель-них, так i вiтрогенераторiв.
Таким чином, тема резервного постачання енер-гоносiïв, ввддаленим ввд електромережi споживачам сьогоднi е досить актуальною та дослвджуваною. На сьогоднiшнiй день юнуе необхiднiсть створення тако1' системи, яка б характеризувалась якомога бшьшою ефективнiстю.
III. МЕТА РОБОТИ
Мета роботи полягае в розробщ мобшьно1' ком-бiнованоï системи основного i резервного живлення на основi ввдновлюваних i традицiйних джерел енергiï для електроживлення малопотужних споживачiв у вщдалених ввд загально1' електромережi регiонах; в описанш конструкцй' запропоновано1' системи; в розробщ блок-схеми алгоритму контролю i управлшня елементами системи задля досягнення найбiльш ефе-ктивного енергоживлення споживачiв при подальшо-му впровадженш та удосконаленш системи.
IV. ВИКЛАДЕННЯ ОСНОВНОГУ МАТЕРИАЛУ I АНАЛ1З ОТРИМАННИХ РЕЗУЛЬТАТА
Конструкцiя КМС. Запропонована в данш робот система представляе собою послвдовну роботу двигу-нiв вгтроустановки та дизельного агрегату на один генератор. Конструкция системи дозволить досягти безперервного живлення споживачiв мало1' та серед-ньо1' потужностi за рахунок використання того чи ш-шого двигуна. При оптимальних факторах навколиш-нього середовища, живлення споживачiв вщбуваеться за рахунок роботи вiтродвигуна. В свою чергу, при зниженш швидкосл вiтру до граничного значения, при якому генерована потужнiсть не буде досягати необхщного рiвня, система деякий час працюватиме
в^д акумуляторних батарей. В якосп резервного дже-рела живлення акумуляторних батарей встановлено фотоелектричш елементи. Якщо протягом тривалого часу швидшсть вiтру не вгдновиться до необхщного рiвня, система переключиться на роботу ввд дизельного. Таким чином, живлення електроспоживачiв буде безперервним та не буде залежати ввд зовнiшнiх фак-торiв. Функцiональна схема установки представлена на рисунку 1.
Конструктивно, система змонтована на причет, який мае вщповвдт розмiри ширини довжини та ви-соти 2550х4340х2625 мм, тобто е мобшьною (пересу-вною), в залежносп вiд потреб споживача. Щогла вгтроустановки, з вертикальною вГссю обер-тання та ротором Дар'е висотою 8000 мм, кршиться у трьох точках задля досягнення бшьшо1 стГйкостГ всГе1 конструкций В системi встановлено блок акумуляторних батарей емшстю 800 Агод, змонтовано дизель-ний двигун потужнГстю 7,5 кВт, вiтроустановку по-тужнГстю 5 кВт та генератор 7,5 кВт.
Рисунок 1. Функциональна схема мобшьно1 системи резервного живлення
Для передачi обертових моментiв, вали вГтроус-тановки та дизельного двигуна, за допомогою елект-ричних муфт, пiд'еднанi до електрогенератора через редуктор, який необхщний для врiвноваження обертiв вгдповГдних двигунГв. На рис. 1, Р1 та Р2 - редуктори, якГ вирГвнюють швидкГсть обертання валГв двигунГв, пГд'еднаних за допомогою електромагнгтних муфт М до генератора Г. Даш редукторш пристро1 коробки передач тд'еднано до М1 - муфти дизельного двигуна та М2 - вГтроустановки. Контролер служить для автоматичного управлшня переключенням електромагнгтних муфт, перевГрки залишково1 емностГ акумуляторних батарей, пГдзарядки АКБ за рахунок двигунГв або фотоелеменлв та вимГрювання величини генерованого струму ВЕУ. МеханГчна частина систе-
ISSN 1607-6761 (Print) ISSN 2521-6244 (Online)
«ЕЛЕКТРОТЕХН1КА ТА ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА» № 2 (2018) (Роздш «Електроенергетика»)
ми працюе на електрогенератор. Випрямлений струм протшае через контролер де за рахунок натвпроввд-никових пристро1'в набувае необхвдно1' величини та якостi. Оскiльки швидшсть вiтру не е постiйною величиною, а акумуляторш батаре! заряджаються пос-тiйним струмом, на виходi електрогенератора встано-вленi випрямляючi пристрог Для вимiрювання кшь-костi оберпв ВЕУ, на вал вiтроустановки встановлено тахометр, датчик швидкосп вiтру та прилади для ви-мiрювання сонячно1 радiацiï та температури. Отрима-ш данi передаються на контролер. Установка облад-нана додатковим баком емшстю 500 л для збiльшення ресурсу автономноï роботи системи.
На рис. 2 представлено структурну схему комбг нованоï мобiльноï системи електроживлення (КМС).
рiбноï якостi, далi до блоку АКБ, з метою 1'х шдзаряд-ки, або до iнвертора I. Останнш, в свою чергу живить навантаження.
Оскшьки потужнiсть ФЕУ е незначною, а основ-ним джерелом живлення е вироустановка та дизель-ний двигун, розрахунок потужностi ФЕУ в данш ро-ботi не приводиться.
Блок-схема алгоритму роботи контролера систе-ми приведена на рис. 3.
Потужшсть дизельноï установки повинна бути бшьшою, нгж потужнiсть вiтродвигуна [16], [17].
Рисунок 2. Структурна схема КМС
На рис. 2 основним елементом системи виступае контролер, за допомогою якого перевiряються вели-чини швидкосп виру, температури повпря, сонячно! радiацii та обертiв валу виродвигуна. Зазначеними пристроями служать датчик швидкосп виру ДШВ, електричний термометр Т, тахогенератор ТГ. Необ-хiдна шформащя про стан заряду акумуляторних батарей та наявшсть навантаження надходить вщповвд-но з блокiв АКБ i навантаження. Пiсля аналiзу даних, контролер виконуе пiдключення однiеi' з електромаг-нiтних муфт ВД ЕМ2 вироустановки або ДД ЕМ1 дизельного двигуна вiдповiдно до редуктора через муфту ЕМ3. Також, у випадку неможливосп роботи обох двигунiв, контролер аналiзуе варiант живлення навантаження ввд АКБ через iнвертор I. При вщсутно-стi навантаження, в контролер закладено функцiю зарядки АКБ ввд ВД, ДД, або вiд ФЕУ, - фотоелектри-чно! установки. Електромагнггаа муфта редуктора ЕМ3 пiдключена до електрогенератора Г. В залежнос-ri вiд наявностi навантаження, вироблена електроене-ргiя передаеться через випрямляч В до блоку контролера, де перетворюеться до необхвдно! величини пот-
Рисунок 3. Блок-схема алгоритму роботи КМС
£мшсть баку дизельного агрегату потужшстю 7,5 кВт за паспортними даними становить 20 л. При споживанш палива 1,75 л/год, дана установка зможе працювати в автономному режимi та при повному завантаженш до 11 годин.
Додатковий бак емшстю 500 л дозволить збшь-шити час роботи до 295 годин, тобто 12 дшв безпере-рвно1' роботи. Встановлення баку необхвдне у випадку передбачення недостатньо1' швидкосп або ввдсутносп вiтряних потокiв.
У разi вiдсутностi або недостатньо1' швидкосп вь тру, система переключаеться на живлення наванта-ження вiд акумуляторних батарей. £мносп АКБ повинно вистачити на перюд ввдновлення вiтру, в шшо-му випадку навантаження живиться ввд дизельного двигуна. Як було зазначено вище, емнiсть АКБ становить 800 Агод.
В залежносп вiд регiону, середня швидкiсть виру змiнюеться в бiльшу чи меншу сторону. Ввдсоток
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
виникнення тих чи гнших градацгй швидкостг також мае непостшну величину. Таким чином, з метою ефе-ктивного використання системи, в економГчному та техшчному планГ, необхГдно вибирати мГсцевГсть зГ сприятливими погодними умовами.
Розрахунок середньо1 генеровано1 потужностГ вь троустановки 8.Л.У - 5 кВт на протязГ року
Для прикладу вГзьмемо ВЕУ марки SAV з вертикально вГссю обертання. Техшчш характеристики приведенГ у табл. 1.
Таблиця 1. Техшчш характеристики ВЕУ 8.Л.У - 5 кВт
Ддаметр виротурбши, м 3,6
Висота лопат!, м 4
Кшьшсть лопатей, шт 5
Номшальна к1льк1сть оберпв ротора, об/хв 80-100
Номшальна потужшсть, Вт 5000
Максимальна потужшсть, Вт 5500
Початкова швидк1сть виру, м/с 2,5
Номшальна швидшсть виру, м/с 8
Робоча швидшсть виру, м/с 3-20
Висота щогли, м 8
Маса ВЕУ, кг (без щогли) 440
Коефщент використання енергп виру >0,42
Тип генератора 3-х фазний на постшних магнатах
Частота генератора, Гц 0-50
Струм генератора змшний
Номшальна напруга на виход! ВЕУ, В 48
Номшальний струм, А 100
Максимальний струм, А 110
Р!вень шуму, Дб 40
Дал! проведемо анал!з ктматичних умов для ро-змщення КМС на територп Укра!ни. Виконаемо розрахунок р!чно! генеровано! потужносп впроустанов-ки.
Потужшсть ВЕУ з вертикальною вюсю обертання, розраховуеться аналопчно потужносп горизонта-льних вироустановок, за винятком розм!р!в поверхш, яку обмахують повирян потоки. Таким чином зпдно
[19],
1 ч
Р = - .p. s V3 ■ Cp ■ K л ■ КмехВт
(1)
коефщент використання енергп виру; Кел - ККД генератора (на постшних магштах 0,8), Кмех - ККД тра-нсшси (ККД шдвищуючого редуктора 0,7 - 0,9).
В нашому випадку фронтальна площа виротур-бши [18]:
S = D ■ H = 3,6 • 4 = 14,4 м2
(2)
де D - д!аметр вироколеса, м; Н - висота лопат!, м.
Характеристику вироколеса звичайно наводять у вигляд! залежностей коефщента Ср i обертального моменту М вщ величини швидкохщноси Z. Коефщь ент Ср - один !з головних параметр!в, що характери-зуе ефектившсть виротурбши. Його величина визна-чае середне вироблення електроенергп на конкретнш установщ [18]. Максимально можливе значення кое-фщента потужносп дор!внюе Срмакс=0,593 - теоретична межа Бетца. У практичних розрахунках врахову-ють вплив на величину Ср типу в!троколеса, в резуль-тап чого вш зменшуеться i складае:
Ср = (0,3 - 0,8) ■ Срмакс - 0,18 - 0,48
(3)
Менше значення Ср ввдноситься до багатолопа-тевих тихохвдних ВЕУ з вертикальною вюсю обертання, бшьше - до горизонтально-осьових ВЕУ з дво-ма-трьома лопатями.
Коефщент швидкохщносп Z визначають як в!д-ношення колово! швидкосп u шнщв лопатей до швидкосп виру V:
о ■ R u
Z =-
V V
(4)
де R - рад!ус кола, що обмахуеться шнцевими елеме-
, л ■ n
нтами лопатей; ю - кутова частота, рад/с, о = ■
30
(для ВЕУ 8.ЛУ о = ^'100 = 10 47 ); и - значення 30
колово1 швидкосп на к1нцях лопатей, м/с,
и = л' ^'п, де п - частота обертання, об/хв; Б - дГа-60
метр вГтроколеса, м.
Величина Ъ знаходиться в межах 0,2...10: для великих ВЕУ Ъ>1, для ВЕУ з великою кшьшстю лопатей Ъ~3, для ВЕУ з трьома лопатями Г великою швидшстю обертання Ъ~6.. .10.
При аналГзГ криво1 Cp=f(Ъ) [18], було виявлено, що при вгдомих значеннях швидкохгдносп для мак-симально1 та оптимально1 потужностГ, а також точки максимального коефщГента потужностГ, вона добре апроксимуеться за допомогою кубГчно1 параболи:
СР = C
Рм акс ■
Z
Zr
- 2 ■
Z
Zr
+ 3
(5)
де р=1,225 - густина повиря, кг/м3; S- фронтальна площа виротурбши; V - швидк1сть виру, м/с; Cp -
де, з урахуванням паспортних даних, ВЕУ Срмакс=0,45;
2
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
10,47 ■ 1,8 10
: 1,884. Обертальний (механiчний)
р
момент ВЕУ дорiвнюе М = —.
т
Залежностi Сp=f(Z) та M=f(Z) для ВЕУ 8.Л.У представленi на рис.4 та 5. З рис. 4 видно, що величина Срмакс, при яшй спостерiгаеться найбiльше значения генеровано! потужиостi ВЕУ, вiдповiдае значенню
Zопт.
Рисунок 4. Залежнiсть коефщенту потужностi ввд значения швидкохiдностi вироагрегату
швидкостей вiтру двохпараметричним розподiлениям Вейбулла. Зпдно [20], порiвияния результатiв розра-хунку за двома варiаитами мае розб1жшсть 2,5%. Така величина е цшком прийнятною для приблизних роз-рахункiв виробiтку енергп.
Нормальнi ктматичш умови, при яких буде ви-конуватися розрахунок ВЕУ: атмосферний тиск 760 мм. рт. стовпа та температура повиря +150С. Для роз-рахунку виробiтку енергii ВЕУ, як мають висоту що-гли бшьше або менше 10 м, середню швидк1сть вiтру слiд перерахувати за наступною формулою:
H
V V I H 15 lgH0
V = Vi ' v = v1 " 0
lg
lg
H1
Hn
(6)
де Vi - швидшсть виру, вимiряна поблизу землi на висотi H1; V - шукана швидк1сть на висои H; H0 -висота, на якш швидшсть виру дорiвнюе нулю. Величина H0 залежить ввд шорсткостi поверхнi, що тдсти-лае (для сшжного покриву Ия0,5 см, для поверхонь з низькою травою H0^3,2 см, з бшьш високими росли-нами H^(5.. .7) см, H0max=20 см) [18].
Швидк1сть вiтру на висоп 8 м:
v = V10 ■
H8 H10
= 5,5 ■! — J0
! 5,26 м / с
Виконаемо розрахунок рiчного виробику енергiï впроагрегатом S.A.V потужиiстю 5 кВт. Результати занесемо до таблиш 3. Для визначення метеорологiч-них даних скористаемось [21]. В табл. 2 наведено се-редш величини ймовiрностi середньорiчноï швидкостi вiтру по градацiях для регюшвУкраши.
Таблиця 2. Середнi величини ймовiрностi швидкостi вiтру по градац1ях (% в1д загально1' кiлькостi випадшв) [21]
Рисунок 5. Залежиiсть величини мехашчного моменту вiтротурбiни в1д коефщенту швидкохiдностi
1снуе критерiй, побудований на основi середньо-рiчноï швидкостi виру, при якiй ВЕУ рентабельна й окупае себе [18]. Ця швидшсть знаходиться в дiапазо-нi 5,1 ... 5,9 м/с. Даний критерш не враховуе викорис-тання додаткових джерел живлення, зокрема дизель-них або бензинових агрегаив.
Зпдно [20], на практиш використовуються два варiанти розрахунку максимально ймовiрного рiчного виробiтку енерги вiтроагрегатом.
Перший - з використанням результатiв спосте-режень на метеостаншях, в яких повторюваиiсть швидкостей виру приводиться по шести градашях: 25; 6-9; 10-13; 14-17; 18-20 та бшьше 20 м/с. Другий варiаит розрахунку грунтуеться на використанш ап-роксимацiï експериментальних даних повторюваноси
Репон Швидкiсть вiтру, м/с
4-5 6-7 8-9 1011 1213 1415
Донецьк (Жданов АМСГ) 20,8 15,3 7,8 5,4 5,5 4,2
Херсон (Аг-рометеоста-нцiя) 24,1 14,1 6,6 2,6 2,6 0,6
Днiпро (АМСГ) 22,3 12,7 8,1 2,7 1,7 0,6
Львiв (АМСГ) 21,8 13,4 5,5 2,1 1,7 0,8
Таким чином, за нормальних кл1матичних умов, при використаинi ВЕУ SAV 5 кВт на протязi року можливо отримати 6,8 МВт.год електроенергп. У разi дефiциту потужностi ВЕУ, як було встановлено вище,
Z
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
на час до встановлення оптимально! швидкоси виру живлення навантаження ввдбуваеться ввд АКБ. Якщо за час роботи акумуляторiв швидк1сть вiтру не вщно-виться до необхщного рiвня, в роботу включаеться дизельний двигун.
В табл. 3: V, м/с - середина градацп швидкоси вiтру; V8 , м/с - середина градацп швидкоси виру на висои 8 м; Р, кВт - потужшсть, яку розвивае ВЕУ; Е, в.о. - повторювашсть градацш швидкостi вiтру; Т, год - час роботи ВЕУ на протязi року; W, кВт.год - виро-блена електроенергiя.
Таблиця 3. Максимально можлива рiчна виробка енергп вiтроагрегатом S.A.V 5 кВт для умов Дшпровського регiону
V. ВИСНОВКИ
Використання автономних комбiнованих систем резервного живлення на територп Украши дозволить зменшити антропогенний вплив на навколишне сере-довище та реалiзувати потенцiал мiсцевих ресурсiв ВДЕ.
КМС, яка представлена в роботi, е мобтною (пересувною), що дае змогу використовувати ii у ввд-далених регiонах та важкодоступнiй мiсцевостi, в за-лежностi вiд потреб споживачiв, таких як радюлока-цiйнi установки, геологорозввдш пристроi' невеликоi' потужностi, тощо. Також, названi споживачi матимуть змогу працювати в мiсцевостi, де живлення ввд зага-льноi системи електропостачання е технiчно немож-ливим або економiчно недоцiльним.
Комбiнацiя ввдновлюваних та традицшних дже-рел живлення для запропоновано! системи дозволяе забезпечити безперебшне постачання електроенергii для малопотужних пристро!в на досить тривалий час.
В робот представлено блок-схему управлiння системою КМС, яка передбачае, що за рахунок вста-
новлених датчик1в, можлив! фактори нестач1 електро-енергп для живлення споживач1в та додае систем! автономносп. Таким датчиком може служити звичай-ний ватметр або л1чильник електроенергй, який пере-дае дат до пристрою контролю.
Подальша розробка КМС, на ввдшну в1д резервно! системи електроживлення з двома електрогенера-торами, дозволить знизити як каштальш, так i експлу-атацшш витрати на !! використання.
Запропонована система та спос1б !! керування представляють практичний та науковий штерес та мають бути досл1джен1 в майбутньому з метою !х вдосконалення.
СПИСОК Л1ТУРАТУРИ
[1] Shcrabets, F. P. The Systems of Backup Power Supply Based on Renewable Energy Sources for Mobile Facilities [Text] / F. P. Shcrabets, P.Yu. Krasovskyi, V.V. Berdnyk // Scientific Bulletin of National Mining University. - 2017. - No 2. - P. 81-86.
[2] Сандлер, А.С. Преобразователи частоты для управления асинхронными двигателями [Текст] / А.С. Сандлер, Р.С. Сарбатов. - М. - Л.: Энергия, 1966. - 144 с.
[3] Kannan, N. Solar Energy for Future World: A Review [Text] / N. Kannan, D. Vakeesan // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2016. - Vol. 62. - P. 1092-1105.
[4] Kaldellis, J.K. Overview of Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems [Text] / J.K. Kaldellis. -Woodhead Publishing Limited. - 2010. - P. 1 - 27
[5] Alone and Hybrid Wind Energy Systems [Text] / J.K. Kaldellis. - Woodhead Publishing Limited. - 2010. -P. 102-161.
[6] Bhuvaneswari, G. Hybrid Wind-Diesel Energy System [Text] / G. Bhuvaneswari, R. Balasubramanian. -Woodhead Publishing Limited. - 2010. - P. 191-215.
[7] Philip, S. Off-grid solar photovoltaic systems for rural electrification and emissions mitigation in India [Text] / S. Philip, F. Samuel. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2016. - P. 147-156
[8] Philip, S. What are the greatest opportunities for PV to contribute to rural development? [Text] / S.Philip, E. Ned. - Energy Procedia. - 2017. - P.139-146
[9] Salas, V. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems [Text] / V. Salas, E. Olias. - Solar Energy Materials and Solar Cells. - 2006. - P. 1555-1578
[10] Salas, V. Overview of the off-grid photovoltaic diesel batteries systems with AC loads [Text] / V. Salas, W Suponthana. - Applied Energy. - 2015. - P. 195216
[11] Joydip, J. A review of inverter topologies for singlephase grid-connected photovoltaic systems [Text] / J. Joydip, H. Saha. Renewable and Sustainable Energy
V, м/с V8, м/с P, кВт E, в.о. T, год W, кВт.год
2,5 2,39 0,05 25,200 700 35,44
4,5 4,30 0,30 26,000 850 250,97
6,5 6,22 0,89 22,300 920 818,65
8,5 8,13 1,99 12,700 790 1572,01
10,5 10,04 3,75 8,100 400 1500,37
12,5 11,95 5,5 2,700 280 1540,00
14,5 13,87 5,5 1,700 120 660,0 0
16,5 15,78 5,5 0,600 50 275,00
18,5 17,69 5,5 0,600 20 110,00
>20 19,13 5,5 0,100 7 38,50
Всього 4137 6800,95
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
Reviews, 2017. - 1256-1270
[12] Sechilariu, M. Building Integrated Photovoltaic System With Energy Storage and Smart Grid Communication [Text] / M. Sechilariu, B. Wang. IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2013. - P. 16071618
[13] Wang, B. Intelligent DC microgrid with smart grid communications: Control strategy consideration and design [Text] / B. Wang, F. Locment. IEEE Transactions on Smart Grid. - 2012. - 2148-2156
[14] Mohandes, M. Support vector machines for wind speed prediction [Text] / M. Mohandes, T. Halawani. Renewable Energy. - 2004. - 939-947.
[15]Шефтер, Я. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках [Текст] / Я. Шефтер, И. Рождественский И. М.: Изд-во министерства сельского хозяйства. - 1957. - 145 с.
[16]Nacfaire, H. Wind-Diesel and Wind Autonomous Energy Systems [Text] / H. Nacfaire. Elsevier applied science London and New York. - 2005. - P. 200-218.
[17]Абрамович, Б. Выбор параметров ветродизельной
установки для энергообеспечения минерально-сырьевого комплекса [Текст] / Б. Абрамович, А. Бельский // Записки Горного института. - 2012. -Т.195. - С. 227-230.
[18]Кривцов, В.С. Невичерпна енерпя [Текст] / В.С. Кривцов, О.1. Яковлев, О.М. Олейников // Книга 1: Вироелектрогенератори. - Харшв: Нац. аеро-косм. ун-т «Харк. аыац. ш-т», Севастополь: Се-васт. нац. техн. ун-т. - 2004. - 396 с.
[19]Грахов, Ю. Инженерный метод и математическое моделирование в проектировании ветроэнергетических установок [Текст] / Ю. Грахов, О. Матве-енко, Е. Соломин // Вестник ЮУрГУ. - 2010. -Вып.9. - С. 45-52.
[20] Харитонов, В.П. Автономные ветроэлектрические установки [Текст] / В.П. Харитонов. - М.: ГНУ ВИЭСХ. - 2006. - 280 с.
[21] Егорова А. С. Справочник по климату СССР [Текст] / А. С. Егорова. - Л.: Гидрометиздат. -1967. - Вып.10. - 305 с.
Стаття надшшла до редакцп 08.07.2018
КОМБИНИРОВАННАЯ МОБИЛЬНАЯ СИСТЕМА ОСНОВНОГО И РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ МАЛОЙ И
СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ
ШКРАБЕЦ Ф.П. доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой возобновляемых источников энергии Национального технического университета "Днепровская политехника", Днепр, Украина, e-mail, StarabetsF@nmu.org.ua;
БЕРДНИК В.В. аспирант кафедри возобновляемых источников энергии Национального технического университета "Днепровская политехника", Днепр, Украина, e-mail, Berdnik.V.V@nmu.one.
Цель. Цель работы заключается в разработке мобильной комбинированной системы основного и резервного питания на основе возобновляемых и традиционных источников энергии для электропитания маломощных потребителей в отдаленных от общей электросети регионах; в описании конструкции предложенной системы; в разработке блок-схемы алгоритма контроля и управления элементами системы для достижения наиболее эффективного энергопитания потребителей при дальнейшем внедрении и совершенствовании системы.
Методы исследования. Для проведения исследований использованы: метод аналитической обработки обзорных материалов по вопросу состояния развития альтернативной энергетики на современном этапе и существующих сегодня проблем, связанных с энергообеспечением маломощных отдаленных энергоустановок, а также путей решения обозначенных проблем за счет моделирования возможных систем бесперебойного питания; метод системного анализа комплексной оценки потенциала комбинированной мобильной системы основного и резервного питания на основе современных компьютерных технологий.
Полученные результаты. Выявлена и доказана целесообразность создания и дальнейшего совершенствования систем комбинированного электропитания маломощных потребителей с целью обеспечения энергобаланса Днепровского региона (Украина). Предложен вариант конструкции комбинированной системы на основе традиционных и возобновляемых источников: в частности, разработана блок-схема алгоритма контроллера управления комбинированной системой. Определен механизм действия представленного алгоритма, а также полученны и проанализоват графические зависимости: коэффициента мощности от величины быстроходности ветроагрегата CP=f(Z); механического момента ветротурбины от коэффициента быстроходности M=f(Z). Представлены прогнозируемые результаты расчета выработки электроэнергии в течение года потенциальной ветроэлектроустановкой W, [кВт ч].
ISSN 2521-6244 (Online) (Роздш «Електроенергетика»)
Научная новизна заключается в предложенной блок-схеме алгоритма контроля и управления комбинированной системой резервного электроснабжения, которая позволяет двигателям ветроустановки и дизельного агрегата попеременно работать на один общий электрогенератор.
Практическая ценность работы состоит в создании системы гарантированного энергообеспечения и распределения электроэнергии для маломощных потребителей энергии различного назначения; повышении эффективности, гибкости и надежности системы и, в конечном счете, уменьшении энергетической зависимости страны от импорта традиционных ископаемых энергоресурсов, преобразование которых приводит к негативным последствиям для экологии страны. Внедрение предложенной блок-схемы алгоритма контроля и управления комбинированной системой резервного электроснабжения позволит снизить стоимость системы и затраты на ее обслуживание, например, текущий ремонт и тому подобное.
Ключевые слова: резервное электроснабжение; энергопотребление; возобновляемые источники энергии; комбинированная система; ветроэлектрогенератор; двигатель; дизельный агрегат; мощность; блок-схема; мобильность; эффективность; зависимость.
COMBINED MOBILE POWER SYSTEM FOR THE STANDBY POWER SUPPLY OF THE LOW AND AVERAGE ELECTRICAL FACILITIES
SHKRABETS F.P. Sci.D, Professor, the head of the renewable sources of energy department of National technical university "Dnipro Polytechnic", Dnipro, Ukraine, e-mail, ShcrabetsF@nmu.org.ua;
BERDNYK V.V. Postgraduate student, renewable sources of energy department of National technical university "Dnipro Polytechnic", Dnipro, Ukraine, e-mail, Berdnik.V.V@nmu.one.
Purpose. The objective of research is to develop a version of combined mobile system of the main and backup power supply based on renewable and traditional energy sources for low-power consumers in regions distant from the main electricity grid; to describe the design of the proposed system; to develop a block diagram of the control and management algorithm for the system elements aimed at achieving more efficient energy supply to consumers in case of further implementation of the system,.
Methodology. To attain the research objective, the following methods have been employed: the method of analytical processing of the reviewed materials on current state of alternative energetics, on problems related to energy supply for low-power remote consumers, and on ways of solving the problems identified by means of simulating potential uninterruptible power systems; the method of system analysis of complex estimation based on modern computer technologies as for the combined mobile system of the main and backup power supply potential.
The results obtained. The expediency of development and further improvement of such combined power supply systems intended for low-power consumers with the purpose of providing the energy balance in the Dnipro region (Ukraine) has been revealed and proved. A version of the combined system based on traditional and renewable sources ofpower is proposed and described. The block diagram of the combined system controller algorithm is developed. The mechanism of action of the presented algorithm is determined, as well as the graphical dependences of the power factor on the speed of the wind turbine Cp=f(Z), and of mechanical torque of the wind turbine on the coefficient of its speed M=f(Z) are obtained and analyzed. The results of calculation as for electric power generated by potential wind power plant W, [kWh] during the year are presented.
Scientific novelty consists in the proposed block diagram of the control and management algorithm as regards the combined backup power supply system, that allows wind turbine engines and diesel units to alternately operate on a single generating unit.
The practical value of study is further development of the system which provides guaranteed uninterruptible energy supply and distribution of electric energy intended for low-power energy consumers to satisfy their needs; increasing the efficiency, flexibility and reliability of the system and, ultimately, reducing the energy dependence of the country on the import of traditional fossil energy resources, the conversion of which leads to negative consequences for the country's ecology. The implementation of the proposed block diagram of the control and management algorithm will reduce the cost of the system and the cost of its maintenance, for example, current repairs, etc.
Keywords: backup power supply; energy consumption; renewable energy sources; combined system; wind turbine generator; engine; diesel unit; power; block diagram; mobility; efficiency; dependence.
REFERENCES
[1] Shcrabets, F. P., Krasovskyi, P.Yu., & Berdnyk, V.V.
(2017). The Systems of Backup Power Supply Based on Renewable Energy Sources for Mobile Facilities.
Scientific Bulletin of National Mining University,
ISSN 2521-6244 (Online) (Po3gi. «E.eKTpoeHepreTHKa»)
2017, 2, 81-86.
[2] Sandler, A.S., Sarbatov, R.S. (1966). Preobrazovateli chastoty dlya upravleniya asinkhronnymi dvigatelyami [Frequency Converters for the Control of Asynchronous Motors]. M. - L.: Energiya, 144. (in Russian)
[3] Kannan, N. & Vakeesan, D. (2016). Solar Energy for Future World: A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 62, 1092-1105.
[4] Kaldellis, J.K. (2010). Overview of Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems. Woodhead Publishing Limited, 2010, 1, 27.
[5] Kaldellis, J.K. (2010). Feasibility Assessment for Stand-Alone and Hybrid Wind Energy Systems. Woodhead Publishing Limited, 102, 61.
[6] Bhuvaneswari, G. & Balasubramanian, R. (2010). Hybrid Wind-Diesel Energy System. Woodhead Publishing Limited, 1, 191-215.
[7] Philip, S. & Samuel, F. (2016). Off-grid solar photovoltaic systems for rural electrification and emissions mitigation in India. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1, 147-156.
[8] Philip, S. & Ned, E. (2017). What are the greatest opportunities for PV to contribute to rural development? Energy Procedia, 1, 139-146.
[9] Salas, V. & Olias, E. (2006). Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2, 555-1578.
[10] Salas, V. & Suponthana, W. (2015). Overview of the off-grid photovoltaic diesel batteries systems with AC loads. Applied Energy, 2, 195-216.
[11] Joydip, J. & Saha, H. (2017). A review of inverter topologies for single-phase grid-connected photovoltaic systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2, 1256-1270.
[12] Sechilariu, M. & Wang, B. (2013). Building Integrated Photovoltaic System with Energy Storage and Smart Grid Communication. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2, 1607-1618.
[13] Wang, B. & Locment, F. (2012). Intelligent DC mi-crogrid with smart grid communications: Control strategy consideration and design. IEEE Transactions on Smart Grid, 2, 2148-2156.
[14] Mohandes, M. & Halawani, T. (2004). Support vector machines for wind speed prediction. Renewable Energy, 2, 939 - 947.
[15] Shefter, YA., Rozhdestvenskiy, I. (1957). Izobre-tatelyu o vetrodvigatelyakh i vetroustanovkakh [To the Inventor about Windmills and Wind Turbines]. M. Izdatel'stvo ministerstva sel'skogo khozyaystva, 145. (in Russian)
[16]Nacfaire, H. (2005). Wind-Diesel and Wind Autonomous Energy Systems. Elsevier applied science London and New York, 2, 200-18.
[17]Abramovich, B., Bel'skiy, A. (2012). Vybor par-ametrov vetrodizel'noy ustanovki dlya energoo-bespecheniya mineral'no-syr'yevogo kompleksa [Selection of Parameters of a Wind-Diesel Plant for En-
ergy Supply of a Mineral-Raw Complex]. Zapiski Gornogo instituta, 195, 227-230. (in Russian)
[18]Grakhov, Yu., Matveyenko O., Solomin, Ye. (2010). Inzhenernyy metod i matematicheskoye modeliro-vaniye v proyektirovanii vetroenergeticheskikh usta-novok [Engineering Method and Mathematical Modeling in the Design of Wind Power Plants]. Vestnik YUUrGU, 9, 45-52. (in Russian)
[19]Kharitonov, V.P. (2006). Avtonomnyye vetro-elektricheskiye ustanovki [Autonomous Wind Power Plants]. M. GNU VIESKH, 280. (in Russian)
[20]Yegorova, A.S. (1967). Spravochnik po klimatu SSSR [Handbook on the Climate of the USSR]. L. Gidrometizdat, 305. (in Russian)
[21]Krivtsov, V.S., Yakovlev, O.I., Oleinikov, O.M. (2004). Nevicherpna yenergiya [Inexhaustible Energy]. Kniga 1: Vitroyelektrogeneratori [Book 1: Wind-driven generators]. National Aerocosm. University "Kharkiv. aviat. institute", Kharkiv; Sevast. National. Tech. University, Sevastopol, 396. (in Ukrainian)
