CC BY
45
Список литературы
1. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 2001.
697 с.
2. Бабокин Г.И. Исследование параметров частотно-регулируемого электропривода режущего органа // Динамика и функционирование электромеханических систем. Тула, 1989. С. 19-22.
3. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. М.: БИНОМ, 2010. С. 431 - 452.
G.I. Babokin, N.S. Degterev
SYNTHESIS OF STRUCTURE AND PARAMETERS OF A CONTROL SYSTEM OF THE ELECTRIC DRIVE OF CONVEYOR INSTALLATION
Two structures of control systems are presented by the scraper conveyor. Each of systems are synthesized. The optimum parameters of the regulator providing set aperiodic transient are chosen.
Key words: the scraper conveyor, the electric drive, the asynchronous electric motor, a control system, PI a regulator, Smith's regulator.
Получено: 24.12.11
УДК 621.311
Г.И. Бабокин, д-р техн. наук, проф., зам. директора, (848762) 6-13-83, prorector.science@nirhtu.ru
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева), В.Г. Куницкий, канд. техн. наук, доцент, (848762) 6-13-83, prorector.science@nirhtu.ru
(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ ДЛЯ МУЗЕЯ-ЗАПОВЕДНИКА «КУЛИКОВО ПОЛЕ»
На основании анализа результатов наблюдения за ветровой ситуацией дана оценка ветрового потенциала в окрестностях с. Монастырщина, позволившая выбрать тип и количество ВЭУ для ВЭС. Предложен вариант структурной схемы ВЭС мощностью 60 кВт на базе выбранных ВЭУ.
Ключевые слова: ветроэнергетическая электростанция, ветроустановка, скорость ветра.
В настоящее время промышленностью многих стран мира, в том и числе отечественной, разработаны и выпускаются серийно разнообразные
типы ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью от 0,1 до 5 МВт. Основную продукцию российских предприятий, специализирующихся на выпуске ветроэнергетического оборудования, представляют ВЭУ мощностью от 100 Вт до 20 кВт, при этом отличительной особенностью всех отечественных разработок является то, что они, как правило, разрабатываются для условий малых ветров [1].
В общем случае в состав ветроэнергетической электростанции (ВЭС) может входить несколько, в том числе и различных по своим параметрам, ВЭУ. Их количество и технические характеристики выбираются по различным критериям, например, стоимости, номинальной мощности и т. д. Основным же параметром являются среднегодовая скорость ветра в месте установки ВЭУ.
По статистике метеонаблюдений, в Центральном округе и Тульской области средняя годовая скорость ветра составляет 4,7...5,5 м/с на высоте 10 м от земли. Однако в отдельных местностях региона среднегодовые скорости могут существенно отличаться от приведенных выше - это долины рек и вершины Среднерусской возвышенности.
В связи с этим для получения информации о реальных режимах скорости ветра на берегу р. Непрядва в районе с. Монастырщина были проведены ее регулярные измерения на высоте 8 м от земли с помощью стандартного трехчашечного анемометра М-92 со специальной электронной приставкой и самописцем барабанного типа. Непрерывная регистрация скорости ветра проводилась в октябре - ноябре 2010 года.
Основной характеристикой ветра, определяющей его интенсивность и эффективность использования ветровой энергии, является его средняя скорость за определенный период времени (сутки, месяц, год). При этом средняя скорость представляется как среднеарифметическое значение, полученное из ряда замеров скорости, сделанных через равные интервалы времени в течение заданного периода. В данном случае рассчитывалась средняя скорость ветра за весь период наблюдения, равный 33 суткам. Если за сутки проводилось п замеров, то средняя скорость ветра за рассматриваемый период может быть определена по формуле
k П 1
Vср • - (1)
k=1 п=1 п
где п — число замеров за сутки; к - число суток в рассматриваемом периоде; Vkn — результаты каждого замера.
На рис. 1. приведен график изменения среднесуточной скорости ветра в окрестностях с. Монастырщина за период с 8.10.10 по 9.11.10 г. Средняя скорость ветра была рассчитана по формуле (1) и составила 6,78 м/с. Расшифровка записи самописца анемометра М-92 показала, что за рассматриваемый период наблюдения изменение скорости ветра лежит в интервале от 0 до 21,5 м/с, среднесуточная скорость ветра колеблется от 3
до 14,2 м/с, наивысшая ветровая активность зафиксирована в утреннее и послеобеденное время.
Гсс,м/ с
1 Числа месяца
—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I
^ 9 10 11 12131415 1617 18^9 20 21 22 23 2425 26 272829 30^1^ 2 3 4 ^ 6 7 8 9;
октябрь ноябрь
Рис. 1. Среднесуточное распределение скорости ветра Vс
Получение достоверных данных о средних скоростях ветра, определяющих его энергетическую способность при сравнительно небольшом объеме и длительности измерений дает способ, суть которого заключается в оценке повторяемости скорости ветра по фактическим данным. При этом весь диапазон возможных скоростей ветра разбивается на интервалы от нуля до максимально возможной скорости. За рассматриваемый период наблюдения производится отсчет, сколько раз скорость ветра попадает в соответствующий интервал. На рис. 2 представлена графическая интерпретация повторяемости скоростей ветра в окрестностях с. Монастырщина за весь период наблюдений.
I I лотллар птг. ОЛ
123456789 10 11 12 13 14 15 162517 271819 20 21 22
Рис. 2. Повторяемость среднесуточных скоростей ветра
С учетом примерной одинаковости ветровой ситуации в областях Центрального региона России была использована методика, предложенная в [2] и позволяющая с высокой степенью вероятности (математическое ожидание ~ 0,9) определить среднегодовую скорость ветра по результатам нескольких известных среднемесячных значений скоростей ветра.
На основании предложенной методики и по определенной ранее фактической среднемесячной скорости ветра была рассчитана предполагаемая среднегодовая скорость ветра, равная 6,43 м/с.
Полученные результаты позволяют определить значение среднегодовой развиваемой мощности ВЭУ в данных условиях и с учетом ее параметров. В соответствии с [3]
Рсг = 4,81 х 10-4 D2УЪргСрпрцг кВт, (2)
где Рсг — развиваемая мощность ВЭУ, кВт; D — диаметр ветроколеса, м; Ург — расчетная годовая скорость ветра, м/с; Ср — коэффициент использования ветрового потока; цр и цг — КПД соответственно редуктора и генератора.
В соответствии с [4] коэффициент Ср принимается равным 0,35
для тихоходных и 0,45 для быстроходных ВЭУ.
Предварительные расчеты по формуле (2) показали, что при небольших среднегодовых скоростях ветра (Уг = 5.7 м/с), чем меньше номинальная мощность ВЭУ и чем больше диаметр ветроколеса и скорость его вращения, тем целесообразнее ее применение.
В данной работе для выбора оптимального варианта ВЭС с развиваемой мощностью 60 кВт при среднегодовой скорости ветра 6,43 м/с были рассмотрены несколько типов ВЭУ, выпускаемых зарубежной и отечественной промышленностью, с номинальной мощностью от 8 до 100 кВт и напряжением 220/380 В. При этом учитывались следующие их технико-экономические показатели: номинальная Уном и стартовая Уст скорости ветра, диаметр ветроколеса, высота башни, стоимость, предполагаемый срок службы, степень использования номинальной мощности каждого типа ВЭУ в течение года при заданной Усг в % - в .
По результатам расчета определено количество отдельных ветроус-тановок N в составе ВЭС, реализующей среднегодовую мощность 60 кВт. Из группы одинаковых по номинальной мощности ВЭУ выбран один ее тип, имеющий лучшие по сравнению с другими расчетные значения в и N, с учетом и других вышеуказанных технико-экономических показателей.
Сравнительный анализ выбранных ВЭУ показал, что в заданной местности наивысшую степень использования номинальной мощности (в = 72,8 %) имеет ветроустановка типа А-ВЭС-ВТ-8-39 с номинальной
мощностью 8 кВт. Стартовая и номинальная скорости ветра для нее имеют минимальные значения, равные соответственно 3 и 8 м/с. Предпочтительны по сравнению с другими выбранными ВЭУ и другие технические параметры: диаметр ветроколеса (Dв = 12 м) и высота башни ВЭУ (hб = 15 м), что снижает расходы на ее монтаж. С учетом ветрового потенциала местности, на которой расположен музей-заповедник «Куликово поле» (с. Мо-настырщина), ВЭС с реализуемой за год мощностью 60 кВт (установленная мощность равна 88 кВт) на базе ВЭУ этого типа включает 11 ветроустановок, стоимостью — 18 000 $ каждая. Общая стоимость оборудования ВЭС составит —198 000 $ (— 7 млн рублей по текущему курсу).
На рис. 3 приведен один из вариантов обобщенной принципиальной схемы ВЭС с потребителями, в состав которой входят: ВЭУ1^ВЭУ-11 — 11 ветроустановок типа А-ВЭС-ВТ-8-39 с номинальной мощностью 8 кВт, включающие синхронные генераторы СГ, вырабатывающие трехфазное напряжение, и мультипликаторы М; ВЗУ — выпрямительно-зарядное устройство, выпрямляющее трехфазное напряжение и имеющее выходное напряжение 24 В; АБ — аккумуляторная батарея требуемой емкости; И — электронный инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное напряжение 380 В с частотой 50 Гц; П1 — потребители, допускающие широкие пределы изменения напряжения (± 30 %) и частоты (± 15 %), работа которых может быть приурочена к наличию ветра. Эти потребители могут подключаться непосредственно к ВЭУ на напряжение 380 В переменного тока (трехфазного или однофазного). К ним относятся измельчители, компрессоры, насосы, нагреватели воздуха и воды и т. д.; П2 — потребители постоянного тока; П3 - потребители переменного тока (трехфазного или однофазного), к которым относятся лампы накаливания, теле-и радиоприемники, компьютеры и т. д.; АПН — автоматический переключатель нагрузки, обеспечивающий автоматическое переключение ВЭС от потребителя к сети общего пользования, и наоборот.
Рис. 3. Схема ВЭС с потребителями
117
Емкость аккумуляторной батареи определяется из расчета суточной работы электроприемников потребителя при загрузке ВЭС, равной 60 кВт, и напряжении 220 В:
60000
QAБ = 1ном • 24 =' 24 * 6550 А-ч.
Срок окупаемости ВЭС, рассчитанный по методике [1] с использованием полученных входных параметров и предполагаемых диапазонов изменения, составляет около 4 лет.
Список литературы
1. Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника. Экономика. Экология М.: Колос. 2008, 196 с.
2. Фатеев Е.М. Методика определения параметров ветроэнергетических расчетов ветросиловых установок. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 88 с.
3. Калинин В.Ф., Набатов К.А., Кобелев А.В. Оценка возможности использования ветроэнергетики в Тамбовской области // Электрика. № 6. 2003. С. 40-41.
4. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983. 201 с.
G.I. Babokin, V.G. Kunitskiy
THE MOTIVATION PARAMETERS WIND'S ENERGY ELECTRIC POWER STATION FOR MUSEUM-NATURE RESERVE "KULIKOVO FIELD"
On the grounds of analysis results observations for wind situation estimation wind potential in vicinity sowed sown Monastyrshina, allowed to chose the type and amount WP for WPS is given. The variant of the structured schemes WP power 60 kW on the base chosen WP type A-WPS- VT-8-39 is offered.
Key words: wind's energy electric power station, windplant, wind's velocity.
Получено: 24.12.11
