CC BY
9Вестник АПК
Ставрополья
:№ 3(23), 2016
УДК 621.311.24:621.313.8:621.311.61
Никитенко Г. В., Деведёркин И. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В.
Nikitenko G. V., Devederkin I. V., Konoplyov E. V., Konoplyov P. V.
УСТРОЙСТВО ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОВЦЕВОДЧЕСКИХ ХОЗЯЙСТВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
THE DEVICE OF THE WIND POWER INSTALLATION FOR SUPPLY OF SHEEP-BREEDING FARMS OF SMALL POWER
Для овцеводческих хозяйств изменяющегося базирования и небольшой потребляемой мощности до 5 киловатт необходим независимый источник энергии, который бы удовлетворял устойчивому электроснабжению с запасом энергии на 3 суток. В качестве одного из вариантов энергоснабжения, независимого от линий электропередачи, предлагается автономная ветроэнергетическая установка, у которой генерируемая электроэнергия первоначально накапливается аккумуляторными батареями, энергоемкость которых рассчитана на продолжительную пиковую нагрузку потребителя. Основным источником генерации электроэнергии ветроустановки является новая конструкция синхронного генератора на постоянных магнитах с ферромагнитными вставками.
Предлагаемая в данной статье система автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки обладает отличительными признаками и преимуществами, которые проявляются в том, что:
- за счет минимального количества электромеханических устройств конструкция ветроагрегата является компактной, технологически гибкой и готовой к частой транспортировке;
- мощность синхронного генератора, равная 600 Вт, может быть меньше максимальных кратковременных значений потребляемой мощности нагрузки в пределах 3 кВт и намного меньше суммарного суточного потребления энергии;
- мощность электрогенератора рассчитывается на обеспечение заряда емкости АКБ 1200 А/ч, удовлетворяющей суточное потребление электроэнергии объекта с запасом на время 3-дневного штиля;
- генерируемая электроэнергия первоначально накапливается аккумуляторными батареями, у которых энергоемкость рассчитана на продолжительную пиковую нагрузку потребителя.
Таким образом, предложенная автономная система электроснабжения позволяет в любое время устойчиво обеспечивать непрерывной энергией потребителей овчарни для осуществления производственных процессов и для бытовых нужд.
Ключевые слова: автономная ветроэнергетическая установка, синхронный генератор, аккумуляторы, контроллер заряда, инвертор, суточное потребление энергии.
For sheep farms the changing home and a small power consumption under 5 kilowatts, the need for an independent source of energy that would satisfy the sustainable electricity supply with an energy reserve of 3 days. As one of the options of power supply independent from the power lines, the proposed Autonomous wind power plant, which generated electricity is accumulated original batteries, energy intensity which is rated for continuous peak load of the consumer. The main source of electricity generation wind turbine is a new design of the synchronous generator with permanent magnets with ferromagnetic inserts.
Proposed in this paper, the system of Autonomous power supply on the basis of the wind power plant has distinctive features and advantages, which are manifested in that:
- due to a minimum number of Electromechanical devices design of wind turbine is a compact, technologically flexible and prepared for frequent transportation;
- power of the synchronous generator is equal to 600 W may be less than maximum short-term power consumption of the load in the range of 3 kW and much less than the total daily consumption of energy;
- the capacity of the generator is calculated to ensure charging capacity battery 1200 A/h, satisfying the daily electricity consumption of the object with a margin of time for the 3-day calm;
- the generated electricity is accumulated original batteries, whose energy intensity is rated for continuous peak load of the consumer;
Thus, the proposed Autonomous power supply system allows at any time to provide sustainable continuous energy to the consumers of the sheepfold for the implementation of production processes and for domestic use.
Key words: autonomous wind power plant, synchronous generator, batteries, charge controller, inverter, daily energy consumption.
Деведёркин Игорь Викторович -
аспирант кафедры применения электрической
энергии в сельском хозяйстве
ФГБОУ ВО Ставропольский государственный
аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8(988)111-40-42
E-mail: devederkin@mail.ru
Никитенко Геннадий Владимирович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой применения электрической энергии в сельском хозяйстве
ФГБОУ ВО Ставропольский государственный аграрный университет
Devederkin Igor Viktorovich -
Ph.D student, Department of «Application of electrical energy in agriculture» Stavropol State Agrarian University Stavropol
Tel.: 8(988)111-40-42 E-mail: devederkin@mail.ru
Nikitenko Gennadiy Vladimirovich -
doctor of Technical Sciences, professor, Head of theDepartment of «Application
of electrical energy in agriculture» Stavropol State Agrarian University
42
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
г. Ставрополь
Тел.: 8(918) 786-44-86
E-mail: nikitenko_gv@mail.ru
Коноплев Евгений Викторович -
кандидат технических наук, доцент кафедры применения электрической энергии в сельском хозяйстве
ФГБОУ ВО Ставропольский государственный
аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8(903) 418-97-46
E-mail: konoplev82@mail.ru
Коноплев Павел Викторович -
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики
ФГБОУ ВО Ставропольский государственный
аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: 8(918)760-44-86
E-mail: konoplev82@mail.ru
Stavropol
Теl.: 8 (918) 786-44-86 E-mail: nikitenko_gv@mail.ru
Konoplyov Evgeniy Viktorovich -
Ph.D of Technical Science, Associate professor of Department of «Application of electrical energy in agriculture» Stavropol State Agrarian University Stavropol
Теl.: 8(903) 418-97-46 E-mail: konoplev82@mail.ru
Konoplyov Pavel Viktorovich -
Ph.D of Technical Science, senior lecture in Department of «Physic»
Stavropol State Agrarian University Stavropol
Теl.: 8(918)760-44-86 E-mail:konoplev82@mail.ru
Сельскохозяйственные объекты овцеводческого направления, как правило, удалены от систем централизованного электроснабжения, а кошары, подключенные к линиям электропередачи, имеют частые проблемы с перебоями в электроснабжении потребителей. Ремонт и восстановление электропитания в овчарнях осуществляется в течении 24 часов, так как ониимеют 3 категорию надежности электроснабжения. Частые и продолжительные перерывы в электроснабжении влекут не только бытовой дискомфорт, но и затраты, связанные с запасом топлива для дизель-генераторов, а также подвозом питьевой воды. Выходом из данной ситуации является использование резервных источников питания или автономных средств электроснабжения овчарни [3].
Решение проблемы электроснабжения основывается на внедрении новых разработок альтернативной энергетики, где наибольшее распространение получили фотоэлектрические панели и ветроэнергетические установки (ВЭУ). Важным фактором для выбора преобразователя в условиях Северо-Кавказского федерального округа является высокий ве-тропотенциал, который позволяет овцеводческим хозяйствам использовать ветроагрегаты. В тоже время ВЭУ должна обладать простотой устройства, экономичностью, технологической гибкостью, транспортабельностью, надежностью в эксплуатации и электроснабжении потребителей [6].
Работа ВЭУ в реальных условиях на открытой местности зависит от стохастического характера ветровых потоков в любой промежуток времени. Воздействие прерывистых ветровых струй постоянно изменяет скорость вращения ветродвигателя и ставит его работу в режим переменных механических нагрузок. Постоянно изменяющаяся скорость вращения вала ветротурбины негативно проявляется на устойчивости значений вольтамперных
характеристик электрогенератора, так как его выходное напряжение может изменяться от 0 до 220 В за короткий промежуток работы, что препятствует прямому электроснабжению бытовых электроприемников. Неустойчивость прямого энергообеспечения ведет к применению автономной системы электроснабжения, которая предусматривает блок накопителей энергии в виде аккумуляторных батарей. С другой стороны распространено мнение, что ВЭУ должна обладать электрогенератором, у которого номинальная рабочая мощность соответствует максимальной потребляемой мощности нагрузки. Но исходя из суточного потребления электроэнергии, пиковая мощность нагрузки длится не более полутора часа, и поэтому значительную часть времени в сутках генератор недогружен и работает в холостую. В результате технически и экономически нецелесообразно использовать генератор, мощность которого соответствует пиковым кратковременным значениям. Исходя из изложенного, следует рассмотреть работу ВЭУ, в которой генерируемая электроэнергия первоначально накапливается аккумуляторными батареями, у которых энергоемкость рассчитана на продолжительную пиковую нагрузку потребителя.
В автономных условиях электроснабжения сельскохозяйственных объектов на примере овцеводческих хозяйств, удаленных от линий электропередачи и потребляющих суточное количество электроэнергии до 5 кВт/ч, целесообразно использовать ветроэнергетическую установку с системой электроснабжения производственной нагрузки, имеющей в качестве накопителя энергии аккумуляторные батареи. Данная система позволяет накапливать электроэнергию в аккумуляторы, и через инвертор преобразовывать энергию АКБ в соответствующую форму сигнала, удовлетворяющего номинальным требованиям современного оборудования. Упрощенная структурная схема данной системы приведена на рисунке 1.
Кестник ЛПК
Ставрополья
№ 3(23), 2016
Рисунок 1 - Упрощенная структурная схема ветроэнергетической установки опосредованного
электроснабжения
Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо 1, вал отбора мощности 2, мультипликатор 3, синхронный генератор на постоянных магнитах 4, монтаж которых производится в гондоле ветроагрегата 5, и электрическую часть, выполненную из выпрямителя 6, контроллера заряда аккумуляторных батарей 7, аккумуляторных батарей 8, балластной нагрузки 9, инвертора 10, к которому подключена производственная нагрузка 11.
Ветроэнергетическая установка по своему принципу преобразования энергии потока ветра в механическую энергию вращения лопастей ветроколеса 1 является традиционной [2], схема подключения которой изображена на рисунке 2. Ориентация ветротурбины ВЭУ может использовать как горизонтальное, так и вертикальное направление. Вал отбора мощности 2 ветроколеса приводит во вращение шестерни мультипликатора 3, который соединен с осью вращения ротора синхронного генератора 4. Передаточное число редуктора обеспечивает увеличение частоты вращения для работы синхронного генератора. В процессе вращения ротора генератора в катушках неподвижного статора возникает электродвижущая сила, образующая переменное напряжение и ток изменяющихся гармоник. Выводы обмоток статора подключены к выпрямителю из диодных мостов 6. Изменяющаяся величина выпрямленного на-
пряжения с диодов поступает на вход контроллера заряда 7. Его основная функция предназначена для безопасного заряда подключенных аккумуляторов 8. В свою очередь сохраненная энергия АКБ посредством инвертора 10 используется для электроснабжения нагрузки.
Мощность ВЭУ определяется параметрами ветродвигателя, расчет которого основывается на вычислении площади ометаемой поверхности лопастей и радиуса ветроколеса в зависимости о ветропотенциала местности и потребляемой мощности нагрузки.
Мультипликатор 3 размещается в корпусе гондолы ВЭУ 5 и может быть установлен таким образом, при котором вал редуктора позволил бы вращаться ротору синхронного генератора 5 как в горизонтальном, так и в вертикальном положении.
Основным устройством генерации электрической энергии в ветроэнергетической установке является новая конструкция радиального синхронного генератора на постоянных неоди-мовых магнитах [5], эффективность работы которого повышают размещенные в магнитной системе ферромагнитные элементы специальной конфигурации. Обмотки синхронного генератора образуют трехфазную систему синусоидального напряжения переменного тока (при согласном соединении катушек можно перейти к однофазной системе). Изменяющаяся часто-
44
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
та переменного тока выпрямляется диодными мостами 6 для обеспечения устойчивой работы контроллера заряда 7 АКБ 9.
Гибкая калибровка контроллера позволяет устанавливать контрольные точки нижнего и верхнего предела работы зарядного устройства АКБ в зависимости от типа, количества, и степени разрежённости АКБ[9]. Если аккумуляторная батарея заряжена полностью, то контроллер от-ключаетзаряд и переводит работу генератора в режим сброса электроэнергии на балластное сопротивление. С другой стороны балластная нагрузка необходимачтобы поддерживатьэ-лектромагнитное потокосцепление между статором и ротором синхронного генератора, в результате которого возникаеттормозноймо-мент на валугенератора.В случае отсутствия нагрузки,электрогенератор переходит в режим работы на холостом ходу. При таком режимеэ-лектромагнитноепотокосцепление снижается и опасно в период сильных ветровых потоков, так как тормозной момент близок к нулю. Отсутствие сопротивления вращению вала генерато-расопутствует развитию высоких оборотов вращения, которые могут привести к деформации лопастей ветродвигателя.
Мощность, вырабатываемая ветроагрегатом в состав, которого входит ветротурбина, трансмиссия, синхронный генератор, выпрямительный диодный мост, и контроллер зарядки аккумуляторных батарей находится из выражения [7,8,10,11]:
Рюу = 05ег^3СрЛпПг Т1к, (1)
где д - плотность воздуха, д = 1,29 кг/м3; г - радиус ветроколеса, м; V - линейная скорость ветрового протока, м/с; Ср -коэффициент использования ветра, Ср=0,42, Ли - КПД передачи, Ли =0,7...0,9; лг - КПД генератора, лг =0,8...0,95; лк -КПД контролера заряда аккумуляторной батареи, лк=0,98.
Необходимое количество аккумуляторов для системы автономного электроснабжения рассчитывается из выражения:
а
N = ^^"сут
ЭК ин С ЛакЛи'
(2)
где Рн - мощность нагрузки 2500, Вт; 1;н -время потребления мощности нагрузкой
24, ч; А-СУТ
тт сут
= 0,083 - коэффи-
"-сут р
гтах сут
циент неравномерности нагрузки; Ин -номинальное напряжение на выходе автономной системы электроснабжения 12,8 В; С - емкость одного аккумулятора 200 А/ч; лак - коэффициент использования емкости аккумулятора, лак = 0,94; ли -КПД инвертора, ли = 0,98.
По известному значению максимальной нагрузки объекта электроснабжения можно определить суточную расчетную мощность нагрузки для любого дня в году по выражению[4]:
Ррь = ^Рщах( 1 ± Ср!&кс, (3)
где Рр/ - расчетная активная мощность на /-том часе суточного графика; Р, - математическое ожидание нагрузки на /-том часе суточного графика; Ср/ - коэффициент вариации нагрузки для /-той ступени суточного графика; кс - коэффициент сезонности; - равновероятная случайная величина в диапазоне от 0 до 1.
График на рисунке 3 характеризует расчетную суточную мощность нагрузки овцеводческого хозяйства для марта месяца.
Из графика на рисунке 3 очевидно, что максимальные значения потребляемой электроэнергии овцеводческим хозяйством не превышают 2,5 кВт, и приходятся на определенные интервалы, которые продолжаются приблизительно по 1,5 часа. Для таких кратковременных пиковых нагрузок нет необходимости подключать генератор соответствующей мощности, поэтому
естник АПК
Ставрополья
:№ 3(23), 2016
чтобы обеспечить надежное электроснабжение хозяйства на всех интервалах времени суточного энергопотребления необходимо рассчитать достаточное количество электроэнергии, передаваемое синхронным генератором в час для-непрерывного заряда аккумуляторов, энерго-
емкость которых в свою очередь удовлетворит электроснабжению в любой момент времени. В общем случае вырабатываемую мощность генератора удовлетворяющей достаточному количеству электроэнергии для заряда АКБ определим из выражения 4:
Р =
1 ГЕН
МлкинСЛлкЛи 2 • 12,8В ■ 200А / V • 0,94 ■ 0,98
1ы
24ч
200Вт / ч,
(4)
Подставляя приведенные выше расчетные данные в выражение 4, можно основываться на том, что при средней скорости ветра 5 м/с активная мощность генерируемая синхронным генератором,может быть равна 200 Вт, что бы удовлетворять заряду двух АКБ емкостью по 200 А/ч, которые обеспечивают бесперебойное электроснабжение овцеводческого хозяйства потребляющего суточное количество электроэнергии до3 кВт.
Для надежной работы системы электроснабжения автономного овцеводческого хозяйства в период штиля необходимо выбрать соответствующую емкость аккумуляторных батарей, а также мощность генератора удовлетворяющего заряд накопителей энергии. Соответственно учитывая трехдневный безветренный период необходимо основываться на выборе шести аккумуляторных батареях с суммарной энергоемкостью 1200 А/ч, заряд которых обеспечивал бы электрогенератор мощностью 600 Вт.
Зная мощность, потребляемую от источника питания (1) и передаваемую нагрузке от аккумуляторов (4) возможно записать уравнение баланса мощностей на входе и выходе системы автономного электроснабжения:
Р = Р
или
вэу
0,5тсдг2у3Срт1пт1
НакинС Т1акЛи
(5)
(6)
Из равенства (6) выражается радиус ветро-колеса необходимого для обеспечения требуемой механической мощности системы автономного электроснабжения удаленных от линий электропередачи потребителей электрической энергии небольшой мощности с учетом мощности нагрузки, скорости ветра, коэффициента использования ветра, времени действия нагрузки и емкости аккумуляторных батарей
г -
1
2 N и С л Л
ак н 1ак 1и
(7)
^ *нСрЛпЛг Результаты расчетов оптимальных электро маханических параметров работы ветроэнерге тической установки для электроснабжения овце водческого хозяйства сведены в таблицу 1.
В результате проведенного анализа и изучения соответствующих информационных источников установлено, что для автономной ветроэнергетической установки необходим ветродвигатель диаметром 3 метра, (например от поставщика ООО «Юнитор-М» ВЭУ 0.6 кВт [1]), генератор которого позволяет заряжать аккумуляторные батареи, и посредством инвертора преобразовывать энергию АКБ в соответствующую форму сигнала, удовлетворяющего номинальным требованиям производственного оборудования овцеводческого хозяйства.
Предлагаемая в данной статье система автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки обладает отличительными признаками и преимуществами, которые проявляются в том, что:
- за счет минимального количества электромеханических устройств конструкция ветроагрегата является компактной, технологически гибкой и готовой к частой транспортировке;
- мощность синхронного генератора равная 600 Вт может быть меньше максимальных кратковременных значений потребляемой мощности нагрузки в пределах 3 кВт и намного меньше суммарного суточного потребления энергии;
- мощность электрогенератора рассчитывается на обеспечение заряда емкости АКБ 1200 А/ч, удовлетворяющей суточное потребление электроэнергии объекта с запасом на время 3-х дневного штиля;
- генерируемая электроэнергия первоначально накапливается аккумуляторными батареями, у которых энергоемкость рассчитана на продолжительную пиковую нагрузку потребителя;
Таким образом, предложенная автономная система электроснабжения позволяет в любое времяустойчиво обеспечивать непрерывной энергией потребителей овчарни для осуществления производственных процессов и для бытовых нужд.
Таблица 1 - Расчетные электромеханические параметры ВЭУ
Расчетный параметр Радиус ветроколеса г, м. Мощность ветрогенератора Рвэу, кВт Электроэнергия Wн, для заряда АКБ в час, кВт Необходимое количество АКБ, шт.
Вычисленное значение 1,53 0,6 0,2 6
46
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
Литература
1. ВЭУ 0.6 КВт // ООО «Юнитор» - М АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА URL: http://unitor. ucoz.ru/index/vehu_06_kvt/0-49 (дата обращения: 26.03.2016 г.).
2. ГОСТ Р 54418.1-2012 Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 1. Технические требования // StandartGOST.ru - открытая база ГОСТов. URL: http://standartgost.ru/ g/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2_% D0%A0_54418.1-2012 (дата обращения: 11.03.2016 г.).
3. Коноплёв Е. В. Применение ветроэнергетической установки в системах автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей малой мощности: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Зерноград, 2007. 19 с.
4. Лукутин Б. В., Муравлев И. О., Плотников И. А. Децентрализованные системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями : учеб.пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2015. 100 с.
5. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Деведер-кин И. В. Высокоэффективный синхронный генератор для ветроустановок // Сельский механизатор. 2014. № 4. С. 30-32.
6. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В. Выбор и обоснование варианта электроснабжения удаленных потребителей // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сб. науч. тр. / СтГАУ. Ставрополь, 2009. С. 260-265.
7. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В. Автономное электроснабжение сельхозпотребителей на основе ветроэнергетических установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2006. № 10. С. 22-23.
8. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В. Ветроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения : монография / Ставропольский государственный аграрный университет. Ставрополь : АГРУС, 2008. 152 с.
9. Самодельный контроллер заряда 12/24В СХЕМА за 10$. URL: http://www.youtube. com/watch?v=7XolsIEb3I0 (дата обращения: 15.05.2015).
10. Фатеев Е. М. Ветроэнергетические установки и их применение в сельском хозяйстве. М. : Машиностроение, 1962. 348 с.
11. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроуста-новки. М. : Огиз-Сельхозгид, 1948. 544 с.
References
1. Windturbines 0.6 KW// OOO "Yunitor - M". ALTERNATIVE ENERGY URL: http://unitor. ucoz.ru/index/vehu_06_kvt/0-49 (accessed-date: 26.03.2016.)
2. GOST R 54418.1-2012 Renewable energy. Wind energy. The installation of wind energy. Part 1. Specifications // StandartGOST.ru - open Standards base URL: http://standart-gost.ru/g/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D 0%A2_%D0%A0_54418.1-2012 (accessed date: 11.03.2016).
3. Konoplev V. E. Application of wind power installations in systems of Autonomous power supply of agricultural consumers low power : author. dis. ... candidate. tekhn. sciences. Zernograd, 2007. 19 p.
4. Lukutin B. V., Muravlev I. O., Plotnikov I. A. Decentralized electricity system with wind and solar power plants : proc. allowance. Tomsk: Publishing house of Tomsk Polytechnic University, 2015. 100 p.
5. Nikitenko G. V., Konoplev V. E., Deveder-kin I. V. Highly efficient synchronous generator for wind turbines // Rural mechanic. 2014. № 4. P. 30-32.
6. Nikitenko G. V., Konoplev E. V. Selection and justification of the alternative power supply to remote consumers // Methods and technical means of improving efficiency in the use of electrical equipment in industry and agriculture : sat. scientific. tr. / SSAU. Stavropol, 2009. P. 260-265.
7. Nikitenko G. V., Konoplev E. V. Autonomous power of agricultural consumers based wind turbines // Mechanization and electrification of agriculture. 2006. № 10. P. 22-23.
8. Nikitenko G. V., Konoplev V. E. The wind power plant in power systems : monograph / Stavropol state agrarian University. Stavropol : AGRUS, 2008. 152 p.
9. Homemade charge controller 12/24V DIAGRAM for 10$ // http://www.youtube. com/ URL: http://www.youtube.com/ watch?v=7XolsIEb3I0.
10. Fateev E. M. Wind turbines and their application in agriculture. M. : Mechanical Engineering, 1962. 348 p.
11. Fateev E. M. Wind turbines and wind turbine. M. : Ogiz-Selkhozgid, 1948. 544 p.
