К вопросу выбора расчетной модели гибридной ветроустановки



В работе рассматривается вопрос, связанный с моделированием работы гибридной ветровой энергетической установки (ВЭУ), с целью повышения эффективности работы этих энергетических установок. Сам процесс моделирования разделяется на две части: энергетическая модель и электрическая модель. В работе рассматривается энергетическая модель гибридной ВЭУ. Предложенный энергетический метод моделирования основывается на оценке диаметра ветроколеса, имеющего двойной энергетический коэффициент полезного действия. Такая оценка определяется связью ветровой энергии с выработкой электрической энергии генератором и индукционного тока, вырабатываемого катушкой. Выработка электрической энергии солнечными панелями, прикрепленными к мачте ВЭУ, увеличивает коэффициент полезного действия самой ВЭУ.

Ключевые слова: моделирование, гибридная энергоустановка, генератор, солнечная панель, выработка, энергетическая модель, электрическая модель.

Введение. Тенденции развития электроэнергии в мире связаны с увеличением не только масштабов производства электроэнергии на традиционных крупных электростанциях, но и доли распределенной генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1, 2]. С другой стороны, учитывая не только нехватку ископаемого топлива, но и проблемы энергосбережения постоянно развивающейся промышленности и технологий, приводящие к существенному увеличению расходов электроэнергии, предприятия вынуждены искать пути снижения энергопотребления, увеличивать энергоэффективность отдельных производств и повышать экологическую осведомленность. При этом возобновляемые источники энергии становятся более важными, чем когда-либо. Сегодня очень интенсивно развивается так называемая малая энергетика, или системы распределенной генерации, основанные на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) [3].

Системы распределенной генерации энергии (СРГЭ) — это гибридные системы энергоснабжения, объединенные из различных источников энергии, которые построены в непосредственной близости от потребителей и в максимально возможной степени учитывают их индивидуальные особенности с точки зрения мощности и профиля.

Этим и объясняется интенсивное развитие системы распределенной генерации энергии. Одним из основных устройств СРГЭ несомненно является ВЭУ. Поэтому в настоящее время с помощью ВЭУ можно внедрить энергетические решения для удаленных пунктов, вдали от основных распределительных линий и мест, где невозможно установить большие энергостанции из-за проблем с окружающей средой. Такое положение дел требует гибридизации используемых для энергостанции ВЭУ и оптимизации их конструкций. Все это связано с моделированием работы ВЭУ.

Целью работы является разработка математической модели работы гибридной энергетической ветровой установки.

Метод решения. Для достижения поставленной цели в первую очередь надо сконструировать гибридную ВЭУ, вырабатывающую электроэнергию. В работах [4, 5] предложена такая ВЭУ, у которой кроме магнитных лопастей на мачтах сконструированы солнечные фотопанели. Такая гибридная ВЭУ вырабатывает три типа тока: переменный ток i ₁ из генератора, переменный индукционный ток i ₂ и постоянный ток I из солнечной фотопанели (рис. 1). Преимуществом такой гибридной ВЭУ является эффективное использование ветровой энергии. Если подключить к аккумулятору балласт, то гибридная ВЭУ может работать в режиме когенерации.

Рис. 1. Гибридная ВЭУ: 1 ― магнитная лопасть; 2 ― индукционная катушка; 3 ― генератор; 4–5 ― солнечные фотопанели; 6 ― мачта ВЭУ; 7 ― коробка передач; 8 ― подшипник рыскания; 9 ― первичный вал; 10 ― муфта; 11 ― механический тормоз; 12 ― вал генератора; 13 ― крыльчатки; i ₁ ― ток из генератора; i ₂ ― ток из магнитной катушки; I ― ток из солнечной фотопанели

Предлагаемая модель состоит из двух частей:

— энергетическая модель;

— электрическая модель.

Энергетическая расчетная модель гибридной ВЭУ

Основой этой модели является определение формальной связи между энергией ветрового потока и выработкой электроэнергии генератором ВЭУ.

Модель расчета диаметра ветрогенератора

КПД (эффективность) ветроустановки — величина, показывающая, какую часть энергии ветра использует установка.

Например, если энергия ветра изначально была 100 %, а ветроустановка использовала только 40 %, потери в генераторе составили 15 % (т. е. КДП генератора составило 85 %), потери в электронном регуляторе на тепло составили еще 15 % (т. е. 85 %), далее потери в проводах 5 % и в инверторе 15 %, то общий КПД системы можно найти, перемножив все КПД всех приборов, участвующих в преобразовании энергии ветра в электрическую.

При определении потребной мощности воздушного потока ( ) для ветрогенератора (BГ) определенной мощности ( ) необходимо учитывать коэффициенты полезного действия ветроколеса (

), ветрогенератора ( ), магнитной катушки (𝛾 _мл ) и трансмиссии (редуктора) ( ):

(1)

С другой стороны, при известной скорости, мощность воздушного потока определяется зависимостью:

(2)

где: давление потока (скоростной напор);

= 0,125 кг*с ² /м ³ ― плотность воздуха;

― секундный расход потока(м ³ /с);

площадь воздушного потока, ограниченная окружностью диаметром .

Тогда мощность воздушного потока, ограниченная окружностью диаметром , определяется зависимостью:

(3)

Приравняв правые стороны уравнений (1) и (3), можно определить потребный диаметр воздушного потока:

Из: (4)

Уравнение (4) будет энергетической моделью гибридной ВЭУ (рис. 1). С помощью этой модели далее можно определить диаметр ветроколеса (ВК) следующим образом:

(5)

Примеры расчетов диаметра ВК при различных мощностях ветрогенераторов и скоростях воздушного потока приведены в таблице 1. Показаны результаты эксперимента. Здесь не учтена выработка электроэнергии солнечных фотопанелей.

Таблица 1

Экспериментальные данные по расчету диаметра ВК

№
	м/с	кВт	м	кВт	м	кВт	М	кВт	м
1	6	2	7,34	5	11,6	10	16,4	20	23,22
2	7	2	5,8	5	9,2	10	13	20	18,42
3	8	2	4,7	5	7,5	10	10,6	20	15
4	9	2	4	5	6,3	10	8,9	20	12,6
5	10	2	3,4	5	5,4	10	7,6	20	10,8

Модель расчета частоты вращения

Одной из главных задач при проектировании ВК является выбор быстроходности, которая имеет следующую зависимость от оборотов, диаметра и скорости потока:

(6)

где: — частота вращения ВК (об/мин);

— радиус лопасти ВК;

Скорость вращения ВК определяется из отношения окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.

На основе экспериментальных данных ветроколес при различных , ,

получено, что максимальное значение КПД ВК ( ) достигается при значениях = (4…6) при количестве лопастей = 3 штуки.

Для ВК с быстроходностью = 5 частоту вращения BK можно определить зависимостью:

(7)

Примеры расчета для различных значений и

представлены в таблице 2.

Таблица 2

кВт	м/с	м	oб/мин	кBт	м/c	м	oб/мин	кBт	м/c	м	oб/мин
2	6	7,3	78	5	6	11,6	49,4	10	6	16,4	35
2	7	5,8	115,3	5	7	9,2	72,7	10	7	13	51,4
2	8	4,7	160	5	8	7,54	101	10	8	10,66	71,7

Модель расчета индукционного тока

1. Выбираем катушку с магнитной лопастью с этими характеристиками:

где диаметр ветроколеса

2. По заданным характеристикам находим количество витков катушки:

(8)

3. Находим сопротивление провода, намотанного на катушку:

R = ρ (9)

(10)

(11)

где ρ ― удельное сопротивление меди: , длина провода, S — площадь сечения провода

4. Находим электромагнитный поток Ф, возникающий при вращении магнитных лопастей:

(12)

здесь:

5. определяется из формулы (3):

(13)

6. Поставив все на свои места, получим:

7. Находим ЭДС индукции катушки:

(16)

8. С ЭДС индукции находим ток в проводе катушек:

[А] (17)

Мы находили ток на катушке, когда магнитная лопасть вращалась со скоростью 5 м/с, выбирая размер ветроколеса и катушку.

9. Находим электрическую мощность индукционной катушки:

10. Далее находим электрическую мощность, вырабатываемую индукционной катушкой за 1 час:

Р будет дополнительной электрической мощностью гибридной ВЭУ.

Ток, выработанный солнечными панелями, прикрепленными на мачтах гибридной ветроэнергетической установки (рис. 1), рассчитывается по алгоритмической модели, описанной в работе [6].

Выводы . Гибридизация ВУЭ дает нам возможность повышать эффективность использования энергии ветрового потока. С другой стороны, эффективность ветрогенераторов определяется не только выработанной электрической энергией, но еще и простотой обслуживания самой установки. Надо отметить, что усложнение конструкции ВЭУ повышает себестоимость выработанной электрической энергии. В свою очередь это понижает эффективность работы ВЭУ. Приведенные энергетические расчетные модели дают нам возможность оптимизировать конструкции ВЭУ и оценить эффективность работы этой конструкции. Прикрепление солнечных фотопанелей на мачты ВЭУ не только увеличивает выработку электрической энергии установкой, но и может решить вопрос, связанный с использованием площади, выделенной для эксплуатации ВЭУ.

Литература:

1. Арифжанов А. Ш., Захидов Р. А. Схемотехнические решения подключения автономных источников энергетики на базе возобновляемых источников энергии в общую распределительную сеть. — Ташкент, журнал «Проблемы информатики и энергетики». № 6, 2017. С. 47–58.
2. Рустамов Н. Т., Бабахан Ш. А., Кибишов А. Т., Орысбаев С. А. Гибридизация ветровых энергетических установок. Киев, научный журнал «Архивариус». № 9(54), 2020. С. 20–24.
3. Чиндяскин В. И., Гринько Д. В. Выбор оптимального решения для применения комбинированных установок на основе возобновляемых источников энергии // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014, № 1(45). С. 40–43.
4. Рустамов Н. Т. О создании гибридных энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) // Вестник Национальной инженерной академии Республики Казахстан. — 2014. — № 4 (54 ) . — С. 114–116. — ISSN 1606-146Х.
5. Бабахан Ш., Рустамов Н. Т. Повышение эффективности ветроустановок. — Ташкент, журнал «Проблемы информатики и энергетики». № 4, 2020. С. 59–65.
6. Рустамов Н. Т., Бабахан Ш. А., Орысбаев С. А. Одностадийное электроснабжение на базе ВЭУ. Екатеринбург. Международный научно-исследовательский журнал, 2020, № 12 (102). С. 71–75, часть 1.