Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

 

Курсовая проект

По дисциплине: "Электрооборудование электрических станций, сетей и систем"

Тема: Проектирование ветроэнергетической установки для котельной

Содержание

Введение

1. Роза ветров с. Некрасовка

2. Сила ветра по шкале Бофора и ее влияние на ветроустановки и условия их работы, по расчётам с. Некрасовка

3. Оценка скорости ветра

4. Выбор генератора

5. Расчёт выбора кабеля

6. Расчёт лопасти

7. Быстроходность ветроколеса

8. На основании данных формул, делаем расчет для ветроустановки в Excel

9. Блок схема ВЭС

10. Система заряда аккумуляторов

11. Расчёт срока окупаемости

Заключение

Список используемой литературы

Исходные данные

Количество электроэнергии, требуемое для выработки теплоты, по ООО "Некрасовка" на 2009 г.

Таблица №1

Расчёт количества электрической энергии на технологические нужды

№ котельнойоборудованиеМаркаМощность Электродвигателя, кВтКоэффициент спроса, КсРасчётная мощность, кВтПродолжительность работы, чРасход электроэнергии, кВт*ч22Насос сетевой3К - 9180,712,62672336674К100-80-160150,710,5267228056ДЗ15 - 50750,752,572037800К100-65-250А450,731,532010080Насос подпиточныйВК (С) 2/26А7,50,75,35002625ВК (С) 2/26А40,72,8320896К50-32-1255,50,73,93201232Дутьевой вентиляторВН - 2,22,20,71,520003080ВН - 4,54,50,73,220006300ВН - 7,57,50,75,3238412516

Таблица №2

Расчёт количества электроэнергии на освещение

№НаименованиеКоличество, штМощность, кВтОсветительный максимум, чРасход электроэнергии1Лампа накаливания350,1480016800

Введение

Энергия ветра - это преобразованная энергия солнечного излучения, и пока светит Солнце, будут дуть и ветры. Технический потенциал ветровой энергии России <#"justify">·система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки);

·система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы);

·система управления рысканием - электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции);

·система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором "беличья клетка").

За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация. Если, например, во время работы возникают кратковременные всплески напряжения (так называемый фликкерный эффект), происходящие при коротких, сильных порывах ветра либо при резком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения (в том числе от электромагнитного излучения самой сети и переключающих сетевых устройств) радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы.

1. Роза ветров с. Некрасовка

Роза ветров - векторная диаграмма, характеризующая режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям. Диаграмма представляет собой пучок лучей, исходящих из одной точки и направленных по румбам горизонта. На каждом луче от центра в сторону, откуда дует ветер, откладывается в определенном масштабе отрезок, пропорциональный повторяемости ветра данного направления. Концы отрезков обычно соединяются прямыми линиями.

Масштаб стрелки 5мм = 2%

Длина ветра показана стрелками, идущими к центру кружка. Длина стрелки до кружка соответствует повторяемости данного направления ветра в процентах от общего числа наблюдений без учёта штилей. Цифра в кружке показывает повторяемость штилей в процентах от общего числа наблюдений.

2. Сила ветра по шкале Бофора и ее влияние на ветроустановки и условия их работы, по расчётам с. Некрасовка

Баллы Характеристика силы ветраСкорость ветра м/сек. Скорость ветра км/часОбъективное проявление0Штиль0-0,20-0,7Дым поднимается вертикально1Тихий0,3-1,51,08-5,4Дым начинает отклоняться от вертикального положения, флюгеры, даже самые чувствительные, не вращаются2Легкий1,6-3,35,76-11,9Движение ветра ощущается лицом, шелест листьев, приводятся в движение флюгеры, ветрогенераторы входят в рабочий режим3Слабый3,4-5,412,24-19,4Листья и самые тонкие ветки деревьев колышутся, развеваются флаги, установленные на высоте4Умеренный5,5-7,919,8-28,4Ветер поднимает пыль и мелкие бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев5Свежий8-10,728,8-38,5Качаются тонкие стволы деревьев диаметром 2 - 4 см, на морских волнах появляются гребешки, ветрогенераторы выходят на максимальную мощность6Сильный10,8-13,838,88-49,9Качаются толстые сучья деревьев диаметром 6 - 8 см, слышен шум ветра в телеграфных проводах7Крепкий13,9-17,150,04-61,6Качаются стволы деревьев в верхней их части, идти против ветра неприятно8Очень крепкий17,2-20,761,92-74,5Ветер ломает сухие сучья деревьев, идти против ветра очень трудно9Шторм20,8-24,474,88-87,8Небольшие повреждения; ветер срывает незакрепленные дымовые колпаки и ветхую черепицу10Сильный шторм24,5-28,488,2 - 102,2Разрушения кровельных покрытий и неукрепленных конструкций, ослабленные деревья вырываются с корнем, автоматическое отключение ветрогенераторов11Жестокий шторм24,5-32,6102,6 - 117,4Большие разрушения на значительном пространстве12Ураган32,7 и более117,7 и более

Около залива Помрь села Некрасовки преобладают различные типы ветров:

С мая по август средняя скорость ветров составляет около 9 м/с (Свежий)

Октябрь - март, преобладает штормовой ветер, средняя скорость около 20 м/с.

Карта возможной годовой выработки энергии ветроэлектрического агрегата. Единицы измерения - кВт*ч за год на один кВт установленной мощности. С помощью карты можно определить количество энергии, которое можно получать ежегодно с помощью ветроэлектрического агрегата мощностью 1 кВт.

3. Оценка скорости ветра

Скорость ветра является наиболее важным фактором, влияющим на количество энергии, которое ветрогенератор может преобразовать в электроэнергию. Большая скорость ветра увеличивает объем проходящих воздушных масс. Поэтому с увеличением скорости ветра возрастает и количество электроэнергии, выработанной ветроэлектроустановкой.

Для оценки увеличения скорости ветра от высоты применяется расчетная формула:

V / Vo = (H / Ho) a V = Vo * (H / Ho) a

где:и Ho - известные значения скорости ветра (м/с) на исходной высоте (м);

Н - запланированная высота (м);- определяемая скорость ветра (м/с);- эмпирический показатель степени 0.14.

Показатели ветротурбин в зависимости от скорости ветра:

м/сВт/м211317577947711815152067183572215672237452

Природные ветровые условия постоянно изменяются, меняется также и скорость ветра. Конструкция ветрогенератора рассчитана для работы при скорости ветра в диапазоне 3 - 30 м/сек. Более высокая скорость ветра может разрушить ветряк, поэтому большие ветрогенераторы оснащены тормозами.

ветроэнергетическая установка котельная ветер

Графики мощности (a) и вращающего момента (b) для ветровой установки показывают эффект работы ветроколеса с разными скоростями

4. Выбор генератора

Село Некрасовка:

На основании исходных данных таблицы №1 производим расчёт суммарной мощности, на котельной №22 с учётом потребляемой электрической нагрузки:

?Ррасч = 12,6+10,5+52,5+31,5+5,3+2,8+3,9+1,5+3,2+5,3+35*0,1 = 132 кВт

Исходя из полученных расчётов, выводим необходимую мощность генератора с учётом 10% перегрузки от суммарной мощности:

Рг = ?Ррасч +10% = 132 + 13 = 145 кВт

По найденной мощности генератора, выбираем необходимый нам ветряк:

Ветрогенератор Avito (АВЭ - 250), мощность от 3 до 500 кВт

Поставщик: Нижний Новгород

Максимальная мощность генератора (Вт) - 500000

Напряжение генератора (В) - 380

Диаметр ротора (м) - 16

Начальная скорость ветра (м/с) - 3.5

Номинальная скорость ветра (м/с) - 13

Высота мачты с растяжками: 18 м

Количество лопастей: 3 шт.

Выдерживает ураганный ветер: до 40 м/с

Технические характеристики:

Торможение - автоматика

Номинальное количество оборотов (об/мин) - 80

Материал корпуса - сталь

Материал лопастей - стекловолокно

Направление ветра - управляется контроллером

Вес: 4555 кг

Аккумуляторные батареи: Минимальное количество (шт) - 30

Рекомендованные аккумуляторы: 60 шт.12В 200А

Время для полной зарядки аккумуляторов: около 16 часов

Стоимость: 900 000 руб

5. Расчёт выбора кабеля

Тмах - время использования максимальной нагрузки

Тмах = Wмах/Рмах

мах - максимальная выработка энергии (при максимальной скорости 20 км/ч, W = 2470000 кВт)

Рмах - максимальная мощность станции, 500кВт

Тмах = 2470000/500 = 4940ч

- экономическая плотность тока, за продолжительность максимальной нагрузки 4940ч в год, = 1,1

= Pг/1,73*Uн = 145000/1,73*380 = 221 А

н - номинальное напряжение ветрогенератора

Рг - необходимая мощность генератора, для снабжения котельной

э = I/J, где:

э - экономическое сечение провода

э = 221/1,1 = 201

По конструктивным и расчётным таблицам выбираем силовой кабель с бумажной пропитанной изоляцией, прокладываемый в земле:

В свинцовой оболочке при Fэ = 240, 3 жилы до 3 кВ - 570 А

В алюминиевой оболочке при Fэ = 240, 3 жилы до 3 кВ - 440 А

6. Расчёт лопасти

За счет угловой скорости, сечения, на разных радиусах лопасти, что бы пройти свой путь с одинаковой эффективностью, в объеме воздуха, и не создавать торможения должны иметь разный угол установки. И чем дальше от оси вращения, тем угол становится меньше.

Одним из показателей для расчета лопасти является шаг винта.

На рисунке показан шаг для одного из поперечных сечений лопасти, удаленных от оси винта на расстояние R.

Другими словами можно сказать, что шаг данного сечения есть расстояние, на которое переместится масса воздуха за один оборот, если представить эту массу воздуха в виде гайки диаметр которой равен 2R, а угол подъема резьбы равен углу между хордой взятого сечения и плоскостью вращения винта.

Шаг винта определяется по формуле:

= 2ПR * tg a

Где: H = шаг выделенного сечения (м.); R = радиус сечения (м.); a = угол установки сечения (град.)

Угол установки сечения лопастей ветроколеса определим по преобразованной формуле:

(угол установки) = Arctg (H / 2ПR)

Расчет крутки лопастиРастояние до сечения от оси вращения, см. 102030405060708090100110120130140150Угол установки сечения, град. 57,938,528,021,717,714,912,811,310,09,08,27,67,06,56,1

Следующий показатель при расчете ветроколеса, это мощность ветрового потока проходящего через площадь ветроколеса. Вычисляют ее достаточно точно по обще принятой методике:

= 0,5 *Q * S * V3

- мощность (Вт);- плотность воздуха (1,23 кг/м3);- площадь ометания ротора (м2);- скорость ветра (м/с);

Для согласования оборотов ветроколеса и генератора необходимо использовать повышающий редуктор и его КПД.

Преобразовывая механическую энергию в электрическую, также несем потери. Поэтому отражаем их в КПД генератора Ng, получаем:

P = 0,5 *Q * S * V3 * Cp * Ng * Nb;

P - мощность (Вт);- плотность воздуха (1,23 кг/м3);- площадь ротора (м2);- скорость ветра, (м/с);р - коэффициент использования энергии ветра;- КПД генератора;- КПД повышающего редуктора.

С увеличением скорости ветра, пропорционально квадрату его скорости, увеличивается давление на ветроколесо.

= 0,5 *Q * V2/9,81 * S

Где:- сила давления ветра (кгс);- плотность воздуха (1,23 кг/м3);- площадь ротора (м2);- скорость ветра (м/с);

Но если ветроколесо поставить под неким углом к ветровому потоку, то сила давления ветра на него уменьшится и будет равна:

у = F * Sin a

Где: a = угол установки плоскости по отношению к ветру (град.).

Зависимости коэффициентов профиля лопасти от угла атаки

7. Быстроходность ветроколеса

Таблица №3

Класс установкиМощность, кВтДиаметр колеса, мКоличество лопастейНазначениеСредняя мощность100 - 60025 - 442 - 3Энергетика

В зависимости от диаметра и количества лопастей обороты ветроколеса при одной и той же скорости ветра будут разные. Этот показатель называется быстроходностью ветроколеса и определяется отношением окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.

Z = L * W / 60 / V

где:- частота вращения ветроколеса (об/мин.) V - скорость ветра (м/с.) L - длина окружности (м.) Z - быстроходность конструкции ветроколеса.

Но так как первоначально мы не знаем частоту оборотов ветроколеса, которые зависят от его исполнения. При прохождении ветра через лопасти, остается возмущенный след который тормозит вращение ветроколеса. И поэтому чем лопастей больше, тем быстроходность становится меньше. Поэтому, чтобы ориентировочно рассчитать обороты ветроколеса, возьмем за основу быстроходность (Z), установленную практическим путем для ветроколес с разным количеством лопастей:

лопастное ветроколесо Z = 7 3 лопастное ветроколесо Z = 5

И по приведенной ниже формуле рассчитаем обороты ветроколеса:

= V / L * Z * 60

Обороты ветроколеса в зависимости от скорости ветра, диаметра и быстроходности (об/мин) Диаметр ветроколеса (м) Скорость ветра м/сВетроколесоZ1234567891011122-лопастное7671342012683344014685356026697368033-лопастное54896143191239287334382430478525573

8. На основании данных формул, делаем расчет для ветроустановки в Excel

Шаг ветроколеса1,5м. Быстроходность ветроколеса5-7ZКПД мультиплексора 0,7Диаметр ветроколеса наружн. 3,1м. Площадь ветроколеса7,4м. кв. Сопротивление генератора0,5ОмДиаметр ветроколеса внутр. 0,4м. Площадь 1-й лопасти0,5м. кв. Обороты генератора на 1 v43об/минШирина лопасти 0,2м. Площадь всех лопастей1,5м. кв. Коэффициент редуктора 1: 40Количество лопастей 2-3шт. Коэффициент заполнения0,5Напряжение нагрузки28VКоэфф. использования энергии ветра0,35КПД генератора0,7Ток обмотки возбуждения0,5AВысота установки над землей 9м. Обороты генератора1204об/минСопротивление нагрузки1ОмРасчет крутки лопастиРастояние до сечения 102131415262728393103114124134145155Угол установки сечения (град.) 66,649,137,630,024,821,118,316,114,413,011,910,910,19,48,8Ветровые характеристикиСкорость ветра на высоте земли (м/с) 34567891011121314151617Скорость ветра на высоте X (м/с) 3,74,96,27,48,69,911,112,313,614,816,017,318,519,821,0Давление ветра 6,411,317,725,534,745,457,470,985,7102,0119,8138,9159,4181,4204,8Показатели ветроэлектроустановкиОбороты ветроколеса (об/мин) 273336414857657177838995101107114Обороты генератора. (об/мин) 109613201452164719212284259328363080332335673810405442974540Напряжение (V) 25313438455360667277838994100106Ток в цепи нагрузки (А) 0,02,75,810,316,725,132,338,043,649,354,960,666,371,977,6Мощность реальная (Вт) 07616128946770490410631221138015381697185520142173КПД установки, (%) 0,013,815,015,615,916,014,512,410,79,38,27,26,45,75,2

9. Блок схема ВЭС

(1) Фундамент

(2) Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления

(3) Башня

(4) Лестница

(5) Поворотный механизм

(6) Гондола

(7) Ветрогенератор

(8) Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)

(9) Тормозная система

(10) Трансмиссия

(11) Лопасти

(12) Система изменения угла атаки лопасти

(13) Колпак ротора

Ветроэлектроустановки (ВЭУ) преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ветряков используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы, подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива.

Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных потоков с лопастями ветряка, через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться в аккумуляторах для более позднего использования.

Лопасти - компонент ветряка "захватывающий" ветер.

Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом. Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач - трансмиссию.

Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через ведущий вал на генератор, который и вырабатывает электроэнергию.

Все системы мощной ветроэлектроустановки контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ветряка. Система контроля угла наклона лопастей "разворачивает" лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора ветрогенератора разворачивает ветряк по направлению к ветру в горизонтальной плоскости.

Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра. Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ветрогенератора.

10. Система заряда аккумуляторов

Выбор аккумулятора для ветряка зависит от продолжительности периода безветрия. Из-за того, что иногда очень трудно заранее точно определить количество последовательных безветренных дней, аккумулятор ветряка должен быть рассчитан на большее число дней.

11. Расчёт срока окупаемости

Критерием целесообразности применения ветроэлектрической установки АВЭ-250, поставляемой Новгородом, является годовой экономический эффект, который зависит от ветровых условий места применения.

За базу сравнения при расчете экономического эффекта, получаемого от АВЭ-250, предназначенного для выработки электроэнергии, принят дизель-электрический агрегат. Выбор этого агрегата в качестве базы сравнения произведен с учетом соизмеримости мощности и того, что этот агрегат получил распространение на дизель-электрических станциях, удаленных от централизованных линий электропередач. На практике вопрос о применении ВЭС в качестве энергоисточника возникает при необходимости увеличения производства электроэнергии.

По вопросу целесообразности использования ВЭУ в качестве источника электроснабжения разногласий нет. Несмотря на высокую первоначальную стоимость оборудования и его монтажа применение ВЭУ представляется привлекательной перспективой. Приведенные расчеты показывают, что использование ВЭУ выгодно даже в тех случаях, когда ВЭС работают круглосуточно. Главная задача применения ВЭУ в сельской местности (с. Некрасовка) - экономия топлива для выработки энергии.

Выгодно это или невыгодно - можно определить достаточно просто, ответив на вопрос: "За сколько лет может окупиться балансовая стоимость ветроагрегата (например, АВЭ-250) за счет стоимости сэкономленного топлива?". Нормативный срок окупаемости станции составляет 6,7 года. За год в с. Некрасовка потребляется 129180 кВт*ч.1 кВт энергии для предприятий в настоящее время составляет 2,85руб. Из этого можно найти срок окупаемости затрат:

Токуп = П/Пч, Пч = П - З,

где: П - прибыль предприятия без вычета затрат на покупку ВЭС, Пч - чистая прибыль предприятия, З - затраты вложенные на покупку ВЭС (700 тыс. руб.)

П = 6,7*129180*2,85 = 2466692 руб

Пч = 2466692 - 900000 = 1566692 руб

Токуп = 2466692/1566692 = 1,6 года

Мы видим, что срок окупаемости вложений в электростанцию меньше нормы, которая составляет 6,7 лет, следовательно, покупка данной ВЭС является эффективной. При этом ВЭС обладает значительным преимуществом над ТЭЦ, благодаря тому, что капитальные затраты практически не "омертвляются", поскольку ветроустановка начинает вырабатывать электроэнергию через 1 - 3 недели после её завозки на место установки.

Заключение

В данном курсовом проекте я рассмотрела проектировку ветреной установки для с. Некрасовка, с целью снабжения необходимой энергией данного села.

Мною были проведены расчёты:

выбор необходимого генератора

выбор кабеля

расчёт срока окупаемости

расчёт лопасти

выбраны ветровые характеристики

В заключении, я могу сказать, что постройка ВЭС в данном районе является целесообразна. Благодаря тому, что мы живём на севере Сахалина, и здесь преобладают постоянные ветра (а ветер неисчерпаемый источник энергии и при его преобразовании нет вредных выбросов в окружающую среду), и в рассматриваемом Охинском районе кроме ТЭЦ, никаких альтернативных источников поставки электроэнергии не существует, то мой проект является уместным для данного участка.

Список используемой литературы

1. Безруких П.П. Использование возобновляемых источников энергии в России // Информационный бюллетень "Возобновляемая энергия". М.: Интерсоларцентр, 1997. №1.

. Д. де Рензо, В.В. Зубарев Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 1982

. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельхозиз-дат, 1948

. Фатеев Е.М. Вопросы ветроэнергетики. Сборник статей. Издательство АН СССР, 1959

. Федотов В.Е., Харитонов В.П. Унифицированная ветроэлектрическая установка // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1971. №7.

Курсовая проект По дисциплине: "Электрооборудование электрических станций, сетей и систем" Тема: Проектирова

Больше работ по теме: