Файл: Разработка ветровой электростанции для промышленного.docx
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 564
Скачиваний: 11
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
Анализ конструкций ветрогенераторов
Выбор объекта для альтернативного электроснабжения
Дополнительно оборудование ветроэнергетической установки
Общие правила безопасности при монтаже ветроэнергетической установки
Определение технических характеристик ВЭУ
Аэродинамические параметры ВЭУ
Анализ результатов расчета характеристик ВЭУ
Применение редукторов в ветроустановках
Оценка технико-экономических показателей ВЭУ
к системе электроснабжения. Невозможно одновременно потреблять больше электроэнергии, чем позволяет мощность инвертора. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов» [4, 8, 10].
«2) Время безпрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется ёмкостью аккумуляторной батареи (АБ) и зависит от мощности и длительности потребления. Если потребление электроэнергии происходит редко, но в больших количествах, то необходимо выбрать АБ с большой ёмкостью» [10].
«3) Скорость заряда АБ зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель зависит от скорости ветра, высоты мачты, рельефа местности. Чем мощнее генератор, тем быстрее будут заряжаться АБ, а это значит, что быстрее будет потребляться электроэнергия из батарей. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или потребители потребляют электроэнергию постоянно, но в небольших количествах» [10].
Одним из ограничивающих факторов в ветряных колесах является сама конструкция генератора. Среди ученых нет единого мнения относительно однозначно лучшей конструкции генераторов для ВЭУ [15-17]. Существуют три основных типа генераторов, применяемых в ВЭУ. Они могут быть использованы для различных систем ветродвижетелей. Это:
Генераторы постоянного тока; Синхронные генераторы;
Асинхронные генераторы.
В принципе, каждый из конструктивных вариантов генераторов может работать при фиксированной или переменной скорости.
Сравним специфику применения указанных видов генераторов при их использовании в ветроэнергетических установках.
а) Генератор постоянного тока
В машинах постоянного тока магнитное поле
возникает в статоре. Ротор является якорем. На статоре располагаются явновыраженные полюса, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо с помощью электромагнита, имеющего обмотку постоянного тока. Довольно часто эта обмотка подключается параллельно якорю – это генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.
В генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением намагничивающий ток, следовательно, величина магнитного потока, зависит от скорости вращения ветрового колеса. При этом фактическая частота вращения ротора машины постоянного тока определяется балансом между крутящим моментом, создаваемым ветром, и тормозным моментом нагрузки. С ростом нагрузки величина магнитного потока будет снижаться, что приведет к уменьшению величины вырабатываемой ЭДС.
Другим существенным недостатком генератора постоянного тока является наличие коллекторно-щёточного аппарата. В ходе эксплуатации генератора постоянного тока требуется регулярное обслуживание и замена щёток. Поэтому генераторы постоянного тока сами по себе из-за присутствия коммутаторов и щёток являются относительно дорогостоящими.
В общем, применение генераторов постоянного тока в составе ветрогенераторов является нецелесообразным. Исключение могут составлять приёмники с низким потреблением электроэнергии. Например, это – устройства зарядки аккумуляторов или источники питания автономной системы отопления отдельного здания.
б) Синхронный генератор
Этот тип электрических машин наиболее часто используется в качестве генераторов на электростанциях вообще и в составе ветряков в частности. Главное их преимущество – возможность генерирования не только активной
, но и реактивной мощности. Конструкции синхронных генераторов бывают разные: явнополюсные и неявнополюсные. Они различаются также системой возбуждения. Для ветряков не перспективно использовать возбуждение от
источника постоянного тока. Поскольку в этом случае мы будем иметь все недостатки системы с контактными кольцами и щетками. Лучше применять схемы генераторов на постоянных магнитах или схемы с бесконтактным электромагнитным возбуждением.
В последние десятилетия, синхронные генераторы на постоянных магнитах (СГПМ) все чаще используются в ветрогенераторах. Неодимовые постоянные магниты (неодим – редкоземельный металл) на сегодняшний день являются самыми сильными постоянными магнитами на рынке. Кроме того, в ветрогенераторе очень важно, что не нужно применять системы самовозбуждения (электромагнита). В роторе устанавливаются постоянные неодимовые магниты, которые независимо от силы ветра постоянно
«включены». При малейшем ветре, ветряк начинает производить электроэнергию и заряжать аккумуляторные батареи.
Поскольку он обеспечивает более высокую производительность за счет более высокой эффективности, есть возможность получить много мощности, конструкция крепкая и устойчивая, так как у него на роторе находятся магниты и не имеется щеток. Структура СГПМ относительно проста.
«Прочные постоянные магниты установлены на роторе для создания постоянного магнитного поля, и произведенная электроэнергия берется из якоря (статора) через использование коллекторных, контактных колец. Постоянные магниты могут быть установлены в цилиндрическом роторе из литого алюминия, чтобы снизить затраты. Принцип работы генераторов на постоянных магнитах аналогичен синхронному генератору за исключением
того, что генераторы на постоянных магнитах могут работать асинхронно» [35, 42] Преимуществом СГПМ является то, что у них отсутствует коллектор, контактные кольца и щетки, поэтому машины прочны, надежны и просты.
Целесообразно использовать эти машины с постоянными магнитами для непосредственного применения в ветровой установке. СГПМ имеет минимальные потери на трение, длительный срок эксплуатации, отсутствие
шума и вибрации при работе. Очевидно, что в этом случае синхронный генератор на постоянных магнитах выгодно использовать для ВЭУ.
в) Асинхронный генератор
«Асинхронный генератор, имеет простую конструкцию, надежность в обслуживании, невысокую стоимость относительно СГПМ. Применение асинхронного генератора (АГ) в ВЭУ ранее было менее распространено из-за отсутствия малогабаритных конденсаторов, обеспечивающих возбуждение генератора и компенсацию реактивной мощности нагрузки, а также из-за сложности стабилизации выходного напряжения. С появлением более компактных конденсаторов и новых систем стабилизации напряжения эти проблемы были решены» [46]
Данный вид генераторов можно использовать только с приборами, не имеющими высоких стартовых токов и устойчивыми к незначительным перепадам напряжения. Такие генераторы стоят дешевле, чем синхронные и имеют более высокий класс защиты от внешних условий.
Различают короткозамкнутые и фазные роторы в зависимости от типа обмотки. Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке
статора, тоже принцип, что в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не поддается регулировке, поэтому частота и напряжение на выходе генератора зависят от частоты оборотов ротора, которые в свою очередь, зависят от стабильности работы двигателя ветроэлектростанции.
АГ имеют малую чувствительность к К.З и высокую степень защиты от внешних воздействий. Цена генераторов такого типа ниже, что является плюсом
Недостатки асинхронного генератора:
генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы требуются конденсаторы;
двигателя.
ненадежность работы в экстремальных условиях;
зависимость напряжения и частоты тока от устойчивости работы
Выбор соответствующей схемы генератора зависит от типа подключения электрогенератора к сети. В случае автономных ВЭУ где энергия, вырабатываемая генератором используется для зарядки аккумуляторных батарей, наиболее выгодным становится использование генераторов на постоянных магнитах так как они не требуют применения дополнительных дорогостоящих выпрямителей и стабилизаторов напряжения. В случае прямого подключения ветроустановки в сеть, применение генераторов на постоянных магнитах вводит необходимость установки высокомощных инверторов что в свою очередь приводит к значительному удорожанию конструкции в целом и является нецелесообразным. При таком типе подключения ВЭУ как правило применяют более дешевые асинхронные генераторы.
Выбор типа генератора в основном зависит от выбора типа подключения ветроустановки к сети. При подключении ветроустановки напрямую в сеть, наиболее целесообразно использование асинхронного генератора, не требующего дополнительных преобразующих ток устройств, однако если подключение ВЭУ в сеть используется с использованием массивов аккумуляторных батарей, применение данного типа генераторов становится нецелесообразным вследствие дороговизны высокомощных выпрямителей, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный [47]
Обе машины имеют одинаковый КПД, но если рассматривать генератор не как отдельный механизм, а как часть ветроустановки, то наиболее эффективен СГПМ, потому что стабилизатор, требующийся для нормальной работы АГ, снижает КПД в большей степени, чем редуктор, необходимый для СГПМ. Если учитывать, что некоторые виды АГ требуют
«2) Время безпрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется ёмкостью аккумуляторной батареи (АБ) и зависит от мощности и длительности потребления. Если потребление электроэнергии происходит редко, но в больших количествах, то необходимо выбрать АБ с большой ёмкостью» [10].
«3) Скорость заряда АБ зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель зависит от скорости ветра, высоты мачты, рельефа местности. Чем мощнее генератор, тем быстрее будут заряжаться АБ, а это значит, что быстрее будет потребляться электроэнергия из батарей. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или потребители потребляют электроэнергию постоянно, но в небольших количествах» [10].
Одним из ограничивающих факторов в ветряных колесах является сама конструкция генератора. Среди ученых нет единого мнения относительно однозначно лучшей конструкции генераторов для ВЭУ [15-17]. Существуют три основных типа генераторов, применяемых в ВЭУ. Они могут быть использованы для различных систем ветродвижетелей. Это:
Генераторы постоянного тока; Синхронные генераторы;
Асинхронные генераторы.
В принципе, каждый из конструктивных вариантов генераторов может работать при фиксированной или переменной скорости.
Сравним специфику применения указанных видов генераторов при их использовании в ветроэнергетических установках.
а) Генератор постоянного тока
В машинах постоянного тока магнитное поле
возникает в статоре. Ротор является якорем. На статоре располагаются явновыраженные полюса, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо с помощью электромагнита, имеющего обмотку постоянного тока. Довольно часто эта обмотка подключается параллельно якорю – это генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.
В генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением намагничивающий ток, следовательно, величина магнитного потока, зависит от скорости вращения ветрового колеса. При этом фактическая частота вращения ротора машины постоянного тока определяется балансом между крутящим моментом, создаваемым ветром, и тормозным моментом нагрузки. С ростом нагрузки величина магнитного потока будет снижаться, что приведет к уменьшению величины вырабатываемой ЭДС.
Другим существенным недостатком генератора постоянного тока является наличие коллекторно-щёточного аппарата. В ходе эксплуатации генератора постоянного тока требуется регулярное обслуживание и замена щёток. Поэтому генераторы постоянного тока сами по себе из-за присутствия коммутаторов и щёток являются относительно дорогостоящими.
В общем, применение генераторов постоянного тока в составе ветрогенераторов является нецелесообразным. Исключение могут составлять приёмники с низким потреблением электроэнергии. Например, это – устройства зарядки аккумуляторов или источники питания автономной системы отопления отдельного здания.
б) Синхронный генератор
Этот тип электрических машин наиболее часто используется в качестве генераторов на электростанциях вообще и в составе ветряков в частности. Главное их преимущество – возможность генерирования не только активной
, но и реактивной мощности. Конструкции синхронных генераторов бывают разные: явнополюсные и неявнополюсные. Они различаются также системой возбуждения. Для ветряков не перспективно использовать возбуждение от
источника постоянного тока. Поскольку в этом случае мы будем иметь все недостатки системы с контактными кольцами и щетками. Лучше применять схемы генераторов на постоянных магнитах или схемы с бесконтактным электромагнитным возбуждением.
В последние десятилетия, синхронные генераторы на постоянных магнитах (СГПМ) все чаще используются в ветрогенераторах. Неодимовые постоянные магниты (неодим – редкоземельный металл) на сегодняшний день являются самыми сильными постоянными магнитами на рынке. Кроме того, в ветрогенераторе очень важно, что не нужно применять системы самовозбуждения (электромагнита). В роторе устанавливаются постоянные неодимовые магниты, которые независимо от силы ветра постоянно
«включены». При малейшем ветре, ветряк начинает производить электроэнергию и заряжать аккумуляторные батареи.
Поскольку он обеспечивает более высокую производительность за счет более высокой эффективности, есть возможность получить много мощности, конструкция крепкая и устойчивая, так как у него на роторе находятся магниты и не имеется щеток. Структура СГПМ относительно проста.
«Прочные постоянные магниты установлены на роторе для создания постоянного магнитного поля, и произведенная электроэнергия берется из якоря (статора) через использование коллекторных, контактных колец. Постоянные магниты могут быть установлены в цилиндрическом роторе из литого алюминия, чтобы снизить затраты. Принцип работы генераторов на постоянных магнитах аналогичен синхронному генератору за исключением
того, что генераторы на постоянных магнитах могут работать асинхронно» [35, 42] Преимуществом СГПМ является то, что у них отсутствует коллектор, контактные кольца и щетки, поэтому машины прочны, надежны и просты.
Целесообразно использовать эти машины с постоянными магнитами для непосредственного применения в ветровой установке. СГПМ имеет минимальные потери на трение, длительный срок эксплуатации, отсутствие
шума и вибрации при работе. Очевидно, что в этом случае синхронный генератор на постоянных магнитах выгодно использовать для ВЭУ.
в) Асинхронный генератор
«Асинхронный генератор, имеет простую конструкцию, надежность в обслуживании, невысокую стоимость относительно СГПМ. Применение асинхронного генератора (АГ) в ВЭУ ранее было менее распространено из-за отсутствия малогабаритных конденсаторов, обеспечивающих возбуждение генератора и компенсацию реактивной мощности нагрузки, а также из-за сложности стабилизации выходного напряжения. С появлением более компактных конденсаторов и новых систем стабилизации напряжения эти проблемы были решены» [46]
Данный вид генераторов можно использовать только с приборами, не имеющими высоких стартовых токов и устойчивыми к незначительным перепадам напряжения. Такие генераторы стоят дешевле, чем синхронные и имеют более высокий класс защиты от внешних условий.
Различают короткозамкнутые и фазные роторы в зависимости от типа обмотки. Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке
статора, тоже принцип, что в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не поддается регулировке, поэтому частота и напряжение на выходе генератора зависят от частоты оборотов ротора, которые в свою очередь, зависят от стабильности работы двигателя ветроэлектростанции.
АГ имеют малую чувствительность к К.З и высокую степень защиты от внешних воздействий. Цена генераторов такого типа ниже, что является плюсом
Недостатки асинхронного генератора:
генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы требуются конденсаторы;
двигателя.
ненадежность работы в экстремальных условиях;
зависимость напряжения и частоты тока от устойчивости работы
Выбор соответствующей схемы генератора зависит от типа подключения электрогенератора к сети. В случае автономных ВЭУ где энергия, вырабатываемая генератором используется для зарядки аккумуляторных батарей, наиболее выгодным становится использование генераторов на постоянных магнитах так как они не требуют применения дополнительных дорогостоящих выпрямителей и стабилизаторов напряжения. В случае прямого подключения ветроустановки в сеть, применение генераторов на постоянных магнитах вводит необходимость установки высокомощных инверторов что в свою очередь приводит к значительному удорожанию конструкции в целом и является нецелесообразным. При таком типе подключения ВЭУ как правило применяют более дешевые асинхронные генераторы.
Выбор типа генератора в основном зависит от выбора типа подключения ветроустановки к сети. При подключении ветроустановки напрямую в сеть, наиболее целесообразно использование асинхронного генератора, не требующего дополнительных преобразующих ток устройств, однако если подключение ВЭУ в сеть используется с использованием массивов аккумуляторных батарей, применение данного типа генераторов становится нецелесообразным вследствие дороговизны высокомощных выпрямителей, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный [47]
Обе машины имеют одинаковый КПД, но если рассматривать генератор не как отдельный механизм, а как часть ветроустановки, то наиболее эффективен СГПМ, потому что стабилизатор, требующийся для нормальной работы АГ, снижает КПД в большей степени, чем редуктор, необходимый для СГПМ. Если учитывать, что некоторые виды АГ требуют