CC BY
169
Рис. 2. Зависимость Коб от ометаемой площади ВК в условиях Челябинской области
Проведенные исследования показали, что условия энергообеспечения и соответственно доля замещаемой энергии зависит от основного параметра энергоустановки - площади ветроколеса ВЭУ. Для оценки энергообеспеченности потребителя от ветроэнергетической установки предложен более простой метод. Он позволит в дальнейшем разработать инженерную методику выбора ветроэнергетической установки в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Литература
1. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / П.П. Безруких [и др.]. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.
2. Шерьязов С.К. Возобновляемые источники в системе энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей: моногр. - Челябинск, 2008. - 300 с.
УДК 621.311.24 С.К. Шерьязов, М.В. Шелубаев
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕТРОУСТАНОВКИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В статье предложены оригинальные схемные решения для эффективного использования ветроэнергетических установок при их совместной работе с системами централизованного электроснабжения, позволяющие максимально использовать энергию ветра для выработки качественной электрической энергии, экономить её потребление от централизованного источника и снизить потери напряжения и мощности в линиях электропередач.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, ветровой ресурс, электроснабжение, инвертор.
S.K. Sheryazov, M.V. Shelubayev WIND-DRIVEN PLANT USE IN THE ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM
Original circuitries for an effective wind-driven electric plant use at their teamwork with the systems of centralized electrical supply, allowing to use wind power for qualitative electric energy development as much as possible,
to save its consumption from the centralized source and to lower losses of voltage and capacity in the electric transmission lines are offered in the article.
Key words: wind-driven electric plant, wind resource, electrical supply, inverter.
Постоянный рост потребности в электрической энергии требует строительства новых электрических станций и модернизации действующих. На данный момент основные фонды объектов российской энергетики предельно изношены. В некоторых случаях их амортизация достигает 80%, а на объектах используются устаревшие технологии [1]. Сложившаяся в энергетике ситуация ставит под угрозу энергобезопасность государства. Важным фактором является и обеспечение потребителей качественной электрической энергией, соответствующей ГОСТ 13109-97.
Одним из путей выхода из сложившейся ситуации может стать использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Согласно распоряжению правительства Российской Федерации от 8.01.2009 №1-р, к 2020 году доля ВИЭ в энергобалансе России должна составить 4%, что позволит частично покрыть рост энергопотребления.
В данное время одним из перспективных направлений развития ВИЭ является внедрение ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой (до 10 кВт) и средней (до 100 кВт) мощностей, которые не требуют больших капитальных затрат по сравнению с ВЭУ большой мощности.
Все выпускаемые ветроустановки отечественного и иностранного производства рассчитаны на выработку качественной электроэнергии номинальной мощности ВЭУ при расчётной скорости ветра, колеблющуюся в пределах от 9 до 13 м/с, в зависимости от типа ВЭУ. Выработка некачественной электроэнергии генератором ВЭУ начинается при минимальной скорости ветра, равной 2-3 м/с. Поэтому основным показателем эффективного использования ВЭУ является выбор района с высоким показателем среднегодовой скорости ветра.
В качестве примера рассмотрим ветровой ресурс Челябинской области. По статистическим данным скорости ветра, область делится на четыре ветровых района. Первый район включает в себя открытые вершины Уральских гор, которые расположены на северо-западе области. Среднегодовая скорость ветра в этом районе составляет 10-13 м/с. Второй ветровой район расположен на юге, юго-западе региона и охватывает более 50% территории области со средней скоростью ветра 4,5 м/с. Данная зона имеет развитое сельское хозяйство. Третий район охватывает центральную и северную часть региона и занимает примерно 30% области. Этот район расположен в лесостепной зоне со средней скоростью ветра 2,5-3 м/с. Четвёртый район расположен в горнозаводской зоне, где средняя скорость ветра составляет 1,5-2 м/с [2].
Из сравнения среднегодовых скоростей ветра и расчётных скоростей ВЭУ видно, что первый ветровой район эффективен для применения существующих ВЭУ. Применение ВЭУ во второй и третьей ветровых зонах является менее эффективным, так как низкое поступление ветрового потока приводит к выработке некачественной электроэнергии. Без применения специальных устройств, предназначенных для улучшения качества электроэнергии, вырабатываемую энергию можно использовать только для теплоснабжения. Использование ВЭУ в четвёртом районе возможно неэффективно, так как ожидается минимальная выработка электрической энергии.
Для повышения выработки качественной электроэнергии во втором и третьем районах разработаны схемные решения, позволяющие преобразовать электроэнергию, вырабатываемую генератором ВЭУ при скорости ветра ниже расчётной. Принцип работы данных схем основан на преобразовании вырабатываемого переменного напряжения изменяющейся частоты в зависимости от скорости ветра в выпрямленное пульсирующее напряжение, которое в дальнейшем инвертируется в переменное напряжение с постоянной частотой 50 Гц. С целью обеспечения постоянства величины напряжения на выходе установки применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, стабилизаторы и управляемые выпрямители.
Для реализации данного принципа преобразования энергии разработаны различные схемные решения. Однако при использовании управляемых выпрямителей не удаётся максимально использовать энергию, вырабатываемую генератором. Применение стабилизатора напряжения за генератором влечёт за собой большие потери мощности при частоте ниже номинальной [3].
В известных схемах выходные параметры напряжения и тока имеют низкие показатели или же не соответствуют стандартам качества электрической энергии по синусоидальности вследствие инвертирования выпрямленного пульсирующего напряжения. Использование сглаживающего фильтра для снижения пульсаций не позволяет добиться требуемого результата из-за непостоянства частоты и величины выпрямленного напряжения [4].
Схема использования ВЭУ в системе электроснабжения: ВК - ветроколесо; Г - генератор;
СУ - сглаживающее устройство; УСН - устройство согласования величин напряжений ВЭУ
и централизованного источника питания; В - неуправляемый выпрямитель; И - инвертор;
С - стабилизатор; Ш - общие шины; ЦИП - центральный источник питания; П - потребитель;
ЦИП - централизованный источник питания; П - потребитель
Перечисленные недостатки не позволяют включить ВЭУ непосредственно к электрической сети, по которой осуществляется централизованное электроснабжение потребителей. Вследствие чего в основном выпускаемые ВЭУ работают совместно с централизованным источником электроснабжения по раздельной схеме или же применяются для автономного электроснабжения потребителей совместно с аккумуляторными батареями.
Для исключения перечисленных недостатков предлагается схема (рис.), позволяющая максимально использовать энергию ветрового потока и обеспечить потребителей качественной электрической энергией [5].
Предлагаемая ВЭУ состоит из ветроколеса и синхронного генератора, подключаемого к инвертору, дополнительно содержащему сглаживающее устройство и устройство согласования величин напряжений централизованного источника питания и ВЭУ. В основу инвертора входят силовые транзисторы, которые являются полностью управляемыми полупроводниковыми приборами. Из-за подачи на вход инвертора выпрямленного пульсирующего напряжения сглаживающее устройство, подключенное к общим шинам, входной и управляющей цепям инвертора, корректирует управляющий сигнал инвертора в зависимости от величины и коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет получить на выходе инвертора синусоидальное напряжение. Это дает возможность подключить инвертор к общим шинам через стабилизатор напряжения, позволяющий поддерживать номинальное напряжение на выходе установки.
К стабилизатору напряжения и общим шинам подключается устройство согласования величины напряжения централизованного источника и напряжения на выходе установки, которое осуществляет корректировку величины выходного напряжения установки, в зависимости от величины напряжения на общих шинах.
Для предотвращения подачи обратного тока на установку от сети при рассогласовании величин вырабатываемого напряжения установкой и напряжения на шинах между общими шинами и стабилизатором напряжения устанавливается реле обратного тока.
В случае отключения питания централизованной системы оперативным персоналом, либо средствами релейной защиты, сглаживающее устройство теряет питание от шин, в результате чего выработка электрической энергии моментально прекращается, что не допускает работу установки на короткое замыкание.
Таким образом, предлагаемая схема использования ВЭУ позволяет максимально использовать энергию ветра для выработки качественной электрической энергии, экономить её потребление от централизованного источника и снизить потери напряжения и мощности в линии электропередач.
Литература
1. Энергия ветра. http://www.worldenergY.ru/doc 24 21 3151.html
2. Шерьязов С.К., Шелубаев М.В. Возможности использования ВЭУ для электроснабжения потребителей
в Челябинской области: мат-лы 28-й междунар. науч.-техн. конф. ЧГАУ. - Челябинск: ЧГАУ, 2008. -190 с.
3. Пат. 2325551 Российская Федерация. Устройство для автономного энергоснабжения потребителей /
С.К. Шерьязов, А.А. Аверин. Опубл. 26.12.2006 г.
4. Пат. 2221165 Российская Федерация. Ветроэлектрическая станция / Лейён Матс, Кюландер Гуннар.
Опубл. 01.10.2004 г.
5. Пат. 89184 Российская Федерация. Ветроэлектрическая установка / С.К. Шерьязов, М.В. Шелубаев.
Опубл. 27.11.2009 г.
УДК 62-84 И.П. Щеглов, В.Н. Делягин, В.Я. Батищев
ТЕПЛОГЕНЕРАТОР НА ВОДОУГОЛЬНОМ ТОПЛИВЕ
В статье рассмотрены проблемы теплогенераторных установок небольшой мощности. Разработана особая конструкция теплогенераторной установки, позволяющая работать в диапазоне мощностей от 200 до 350 кВт, исследованы режимы ее работы, определены выходные параметры.
Ключевые слова: теплогенератор, водоугольное топливо, теплоэнергетическая установка,
топка.
I.P. Shcheglov, V.N. Delyagin, V.Ya. Batishev HEAT-GENERATOR ON WATER AND COAL FUEL
The problems of heat-generator installations of small capacity are considered in the article. The special design of heat-generator installation, allowing to work in a power range from 200 to 350 kw is developed, modes of its work are researched, target parameters are determined.
Key words: heat-generator, water-coal fuel, heat-power installation, fire-chamber.
В последние годы развиваются и совершенствуются технологии по приготовлению и сжиганию водоугольного топлива (ВУТ). Данный вид топлива обладает всеми свойствами жидкого топлива: позволяет полностью автоматизировать процесс сжигания; транспортируется в автоцистернах или по трубопроводам, а также может производиться на месте потребления; хранится в закрытых резервуарах и длительное время (более 1 мес.) сохранять свои свойства. Но, в отличие от жидкого топлива, ВУТ пожаро- и взрывобезопасно во всех технологических операциях (производство, транспортировка, хранение и сжигание).
Существующие теплоэнергетические установки, работающие на ВУТ, имеют диапазон мощностей от 1000 кВт и выше, когда для сельскохозяйственного производства наиболее востребованным остается диа-
