Ветроустановки с магнитными лопастями

В работе рассматривается вопрос повышения эффективности использования энергии ветра на ветровых энергетических установках. Такое повышение эффективности ВЭУ осуществляется заменой обычных лопастей на магнитные лопасти, огражденные токопроводящей сеткой. При вращении магнитных лопастей вокруг порождается вихревой магнитный поток и пересекая сетку ограждения, в ней вырабатывается дополнительная индукционная э. д.с. За счет этого тока ВЭУ повышает свою эффективность. При этом решается электро-инженерная задача сбора и подачи дополнительно выработанной электрической энергии в контроллер ВЭУ и решается инженерная задача связанная с объединением индукционного тока и тока, получаемого из электродвигателя ветрогенератора.

Ключевые слова: магнитные лопасти, ВЭУ — ветровая энергетическая установка, оградительная сетка, индукционный э. д.с., закон Фарадея, контроллер, инвертор, аккумулятор.

Введение.По оценкам отечественных экспертов, технический потенциал энергии ветра в республике составляет около 3 млрд. кВт/ч в год. Большие возможности в этом обусловлены географическим положением Казахстана, лежащим в ветровом поясе северного полушария Земли. По некоторым данным теоретически ветро-потенциал Казахстана составляет около 1820 млрд. кВт/ч в год [1].

У развития ветроэнергетики в Казахстане есть ряд других плюсов. Основаны они на казахстанской специфике. Громадная территория, удаленность многих населенных пунктов от крупных электростанций, сконцентрированных в угольных месторождениях, приводит к необходимости иметь линии электропередачи значительной протяженности (порядка 420 тыс. км). Что, во-первых, ведет к большим технологическим потерям при транспортировке электроэнергии (около 14 %), во-вторых, к уязвимости электроснабжения от электросетевых повреждений. В этой связи определенная децентрализация с использованием местных источников энергии, в качестве которых могут выступить ВЭУ, может рассматриваться как резонное дополнение к существующей системе электроснабжения, как с экономической точки зрения, так и для обеспечения ее безопасности и надежности. Вэтом заключается актуальность предлагаемой работы.

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеальных ветроустановок равен 0.593. Это объясняется тем, что роторы ветроустановок используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти [2]. Значит, качественно изменяя конструкции лопастей, можно повысить коэффициенты использования энергии ветра на ВЭУ. Ветер — очень большой возобновляемый источник энергии. Его энергию можно использовать почти во всех районах Земли. Получение электроэнергии от ветроэнергетических установок является чрезвычайно выгодной, но вместе с тем технически сложной задачей. Трудность заключается в очень большой рассеянности энергии ветра и в его непостоянстве. Именно это очень мешает повышению эффективности ветроэнергетических устройств.

Цельюработыявляется разработка ВЭУ с магнитными лопастями, улучшающий эффективность использования энергии ветра.

Метод решения. Ветряный генератор — это устройство, преобразовывающее кинетическую энергию ветра в электрическую. Общей их чертой является отсутствие необходимости в каком-либо сырье, так же отсутствие отходов. В принципе, это косвенный способ извлекать энергию солнца, поскольку большие массы воздуха, имеющие разную температуру, образуют известные нам циклоны и антициклоны, способствующие появлению ветра. Различные модели ветряных генераторов предназначены для работы в условиях слабых (до 3 м/с) ветров — это в основном генераторы для частного использования.

Ветровые системы строятся на базе ветровых генераторов (ветрогенераторов). Обычно ветровой генератор устанавливается на высокой мачте, установленной на бетонном основании. Вырабатываемое ветрогенератором напряжение преобразуется с помощью контроллера и инвертора

Для повышения эффективности работы этой системы воспользуемся законом Фарадея. Он показал, что всякий раз, когда в опыте осуществляется изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции, в контуре возникает индукционный ток; возникновение индукционного тока указывает на существование в цепи электродвижущей силы, которая называется электродвижущей силой электромагнитной индукции.

Воспользуясь вышесказанным, преобразуем лопасти ветерогенераторов. То есть лопасти сконструируем из магнита [3]. А лопасти оградим ферромагнитной сеткой и подсоединим к контроллеру. Ветрогенератор будет асинхронным определенной мощности [4]. Выбор ветрогенератора зависит от скорости ветра. Тогда показанная энергетическая система выглядит как на рис.1. Замещающая электрическая схема показана на рис.2

В таких ветроэнергетических системах возникает проблема связанная со сбором дополнительной выработанной электрической энергии на контроллере.

Преобразователями постоянного напряжения, то есть контроллерами называют устройства, предназначенные для изменения значении постоянного напряжения. Они основаны обычно на импульсных методах, которые позволяют осуществлять преобразование с минимальными потерями энергии. Т. е. аккумулятор заряжается на постоянном токе, контроллер собирая полученный ток из ветрогенератора подает аккумулятору. При этом подаваемый ток будет импульсным. Это показана на рис.3.,а Когда ток из сетки ограждения будет поступать на контроллер, то вид тока поступающий на аккумулятор будет так, как показано на рис.3,б.

Рис. 1. Ветро-энергосистема с магнитными лопастями

А замещающая электрическая схема ветро-энергосистемы с магнитными лопастями, вырабатывающей два типа тока и подаваемый к аккумулятору, показана на рис.3.

Рис.2. Электрическая схема замещения ВЭУ с магнитными лопастями

В замещающей схеме ВЭУ, показанной на рис.3:

E₁ — ЭДС возникающие при вращений лопастей; Е₂ — ЭДС возникающий в железной сетке; Е₃ — ЭДС возникающий внутри контроллера; Е — ЭДС возникающий внутри инвертора; VD, VS — тиристоры; R₁, R₂, R₃ — активные элементы; R — потребитель; r_н- внутреннее сопротивление инвертора; СУ- система управления; L, C — реактивные элементы; i₁, i₂ — два разных тока, возникающие от двух разных источников.

а) б)

Рис. 3. Вид тока на выходе контроллера

Как видно из графика (рис.3.,б), скачок тока почти полностью сводится к нулю за счет тока поступающей изферромагнитной сетки. Тем самым повышается эффективность использования энергии ветра.

Расчет ветрогенератора смагнитными лопастями

Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, — 9...12 м/с. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.

Р = Вт,

Где P — мощность; D — диаметр винта в метрах; v — скорость ветра в м/с.

Рассмотрим примерный расчет ветрогенератора по нескольким пунктам:

1) Для того чтобы выбрать мощность генератора воспользуемся вышеприведенной формулой. Исходные данные для расчета:

D = 0,5 м, v = 5 м/с, R = 2 Ом.

Учитывая что скорость ветра может превышать номинальную скорость выбираем генератор типа 4AAM56A4 мощностью 0,12 кВт. Номинальное напряжение этого генератора составляет 220 В.

2) Теперь находим ток ветрогенератора из формулы P = UI:

I₁ = = 120/220 = 0,54 A.

3) Теперь найдем ЭДС ветрогенератора из формулы E = U + IR:

e₁ = 220 + (0,542) = 221 B.

Таким образом мы рассчитали ток и ЭДС вырабатываемый генератором. Теперь найдем ток и ЭДС вырабатываемый из сетки. В сетке вырабатывается дополнительный ЭДС тем самым прекращая скачок тока в контроллерах.

4) Чтобы найти ЭДС используем формулу электромагнитной индукции

e = Bvl. Значение магнитной индукции берем по умолчанию B = 20 Тл а длину поперечного сечения сетки берем l = 2 м:

e₂ = Bvl = 2052 = 200 В.

5) Находим ток в сетке используя мощность генератора:

6) Теперь найдем угол сдвига фаз пользуясь данными двух ЭДС:

cosφ = = = 0,9.

Так как сдвиг фаз и значение катушки взаимосвязаны, то первоначальная индуктивность будет равна 0,9 Гн.

Чтобы доказать сказанное, мы смоделировали на компьютере замещающую схему, показанную на рис. 4, и на этой модели провели эксперимент. В этой схеме начиная слева находятся ЭДС генератора, ЭДС сетки, дальше идут составляющие контроллера: ЭДС, тиристор, конденсатори сопротивление.

Рис. 4. Компьютерная модель ВЭУ

Получаемый на выходе контроллера ток описывается гармонической функцией имеющий три гармоники.

А(t) = A_m [sin(x) + sin() + sin()]

A_m — амплитудное значение мгновенного напряжения;

x = wt — угловой сдвиг по времени.

е(t) = E_m1sinwt + E_m2sinwt = 221sinwt + 200sinwt

E_m1sinwt — составляющие первой гармоники, которая отображает ЭДС вырабатываемый генератором;

E_m2sinwt — составляющие второй гармоники, которая отображает ЭДС вырабатываемый из токопроводящей сетик.

Рис. 5.Вид тока поступающий на аккумулятор с наличием магнитных лопастей

В этой схеме по оси ординат расположен величина тока, а по оси абсцисс период прохождения тока через контроллер.

Ниже приведем алгоритм расчета оценки сдвига фаз для ветро-энергосистемы с магнитными лопастями.

1. Пишем уравнение для токов:

I(t) = I_m1sin(wt — 90) + I_m2sin(wt — 90) = 0,54sin(wt — 90) + 0,6sin(wt — 90);

I_m1 — ток вырабатываемый генератором;

I_m2 — ток вырабатываемый токопроводящей сеткой.

2. Пишем уравнение для напряжений:

U_m1 — напряжение генератора;

U_m2 — напряжение вырабатываемое из сетки.

3. Находим проводимости в реактивной и полной цепи:

b₁ = b_L = 3140,9 = 283 Сим;

b₃ = b_L = 33140,9 = 848 Сим;

y = 283 + 848 = 1131 Сим.

b₁, b₃ — проводимости реактивной цепи;

b_L — проводимость катушки;

y — полная проводимость цепи.

4. Находим активную, реактивную и полную мощности цепи:

P = U²g = 24 кВт;

Q = U_m1²b₁ + U_m2²b₃ = 54 кВар;

P — активная мощность;

Q — реактивная мощность;

S — полная мощность.

Полная мощность вырабатываемая ВЭУ с магнитными лопастями составило 59 кВА. Это более чем вдвое больше мощности вырабатываемой без сетки. Так мы доказали что ВЭУ с магнитными лопастями увеличивает вырабатываемую энергию, а так же сводит к минимуму скачок тока в контроллере.

Выводы.Cточки зрения инновационной деятельности несколько лет назад эта область начала терять свой шарм. Глобальные уровни ветра опустились несколько раз с момента их пика в 2013 году. Это не означает что ветер перестал быть в качестве одной из форм альтернативной, возобновляемой энергии. С момента своего скромного европейского истока до сегодняшнего массивного потенциала электрогенерирующая энергия ветра является одновременно устойчивой и благоприятной. Она занимает мало земли, также энергии ветра могут быть собраны от моря и не оставляет углеродного следа или ущерба окружающей среде. И его генерирующая мощность прекрасна [4].

Чтобы повысить эффективность использования энергии ветра предложенная ветро-энергосистема, как показали наши расчеты, имеет практический характер. С другой стороны предложенной системой можно получать дополнительную электрическую энергию. Техническая реализация такой системы не является трудным. Но эффективность достаточно хорошая.

Литература:

1. Аналитическое исследование «Казахстан: Энергетическая безопасность, энергетическая независимость и устойчивость развития энергетики. Состояние и перспективы», под ред. Алияров Б., Институт энергетических исследований, — Алматы, — 2009г., 370с.
2. Асланян Г., Симонов В., Тюрин Ю., Шпильрайн Э. Новые источники и методы преобразования энергии. Опыт сотрудничества стран членов СЭВ. — Москва, — 1981г. 117с.
3. Рустамов Н. Т., Мейрбеков А. Т., Мейрбеков Б. К. Ветрогенератор с магнитными лопастями. Патент РК на изобретение № 33214 от 17.10.2018.
4. Parmanbekov U., Meirbekov B., Sugurov S., Kruglikov A., Rustamov N., Yernazarova D.,“Automated system of control and protection asynhronous motors in Kazakhstan”: — Paris, France. Pensee Journal. Vol 76, No. 11; Nov 2014, pp.320–324.(
5. Gaze L.,“The future of sustainable innovation— Wind Sustainability” http://reports.thomsonreuters.com/susty7/innovation/future-sustainable-innovation