автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Автономная система электроснабжения для пасечного хозяйства

На правах рукописи

-Ш&г

005057388

КОНОПЛЁВ Павел Викторович

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ПАСЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 я дпр т

Зерноград - 2013

005057388

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Никптенко Геннадий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воронин Сергей Михайлович (ФГБОУ ВПО АЧГАА, профессор кафедры)

кандидат технических наук, доцент Ядыкин Виктор Семенович (СТИС ФГБОУ ВПО ЮРГУЭС, доцент кафедры)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский

государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова» (г. Саратов)

Защита состоится 12 апреля 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01, созданного при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», по адресу: 347740, Ростовская область, г. Зерноград, ул. Ленина, 21, в зале заседания диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан « у^- » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Н. И. Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время наблюдается интенсивное развитие пчеловодческих хозяйств, их электрооснащенности, увеличение потребления электроэнергии для технологических процессов. Установленная мощность таких потребителей, как правило, не превышает 3 кВт. Удаление пчеловодческих хозяйств от электрических сетей делает автономное электроснабжение единственным приемлемым вариантом. В настоящее время для автономного электроснабжения пасечных хозяйств в подавляющем большинстве используют передвижные дизельные или бензиновые электростанции, а также системы аккумулятор-инвертор. Использование топливных электростанций сдерживается, прежде всего, их высокой стоимостью, необходимостью транспортировки топлива, оборудования мест для безопасного хранения горюче-смазочных материалов (ГСМ), экологическими аспектами. Применение системы аккумулятор-инвертор также обусловлено высокой стоимостью компонентов. В процессе использования такой системы неизбежны дополнительные расходы, связанные с обслуживанием аккумуляторов, их заменой, обусловленной ограниченным сроком службы; необходимость дополнительного источника энергии для зарядки аккумуляторов усложняет систему. Непрерывный рост цен на ископаемые энергоносители вынуждает искать другие способы электроснабжения, например использование ветроэнергетических установок (ВЭУ) для автономного электроснабжения пчеловодческих хозяйств.

Использование энергии ветра в системах автономного электроснабжения (САЭ), как наиболее распространенного и дешевого источника энергии для удаленных от линий электропередач (ЛЭП) сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности, становится актуальным.

Цель работы: обоснование структуры, параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей малой мощности.

Объект исследования: устройство стабилизации выходных параметров асинхронного генератора ветроэнергетической системы автономного электроснабжения.

Предмет исследования: зависимость параметров системы «ветроколе-со — стабилизатор - асинхронный генератор» от энергетических характеристик ветра и мощности потребителей энергии.

Научная гипотеза: требуемые выходные параметры системы автономного электроснабжения на основе асинхронного генератора ветроэнергетической установки могут быть обеспечены при постоянной (стабильной) частоте вращения ротора.

Рабочая гипотеза: стабильная частота вращения ротора асинхронного генератора (АГ) автономной системы электроснабжения от ветроколеса может быть обеспечена электромеханическим устройством на основе машины постоянного тока (МПТ).

Методы исследования: аналитические и экспериментальные методы, аппарат имитационного моделирования и системного анализа, математическое л

моделирование, теория математической статистики, электропривода и теория автоматизированного электропривода.

Научную новизну работы составляют:

— система автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки для автономного электроснабжения пчеловодческих хозяйств;

— математическая модель, связывающая между собой частоту вращения ротора АГ автономной системы электроснабжения с параметрами машины постоянного тока, значениями напряжения и частоты питающего тока на фазах АГ и частотой вращения вала ветроколеса в зависимости от установленной мощности потребителей и суточного потребления энергии;

— графические зависимости изменения частоты вращения ротора АГ, напряжения на фазах генератора в функции тока якоря МПТ и скорости ветра;

— методика определения структуры САЭ потребителей электрической энергии, удаленных от линий электропередач в зависимости от установленной мощности и суточного потребления электроэнергии.

Практическую ценность имеют следующие результаты:

— система автономного электроснабжения с использованием ВЭУ, включающая в себя устройство стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ;

— система стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ с вращающимися независимо друг относительно друга якорем и статором;

— математическая модель системы автономного электроснабжения на основе ВЭУ, связывающая режимы работы и параметры устройства стабилизации на основе МПТ и выходные параметры АГ в зависимости от величины нагрузки;

— диапазон регулирования системы стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ при изменяющейся скорости ветра и величины нагрузки;

— методика определения структуры системы автономного электроснабжения потребителей пчеловодческих хозяйств.

На защиту выносятся следующие положения:

— система автономного электроснабжения с использованием ветроэнергетической установки, включающая в себя устройство стабилизации частоты вращения ротора АГ;

— устройство стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ с вращающимися независимо друг относительно друга якорем и статором;

— математическая модель системы автономного электроснабжения потребителей пасечных хозяйств на основе ветроэнергетической установки, с устройством стабилизации выходных параметров АГ;

— методика определения варианта системы автономного электроснабжения пасечного хозяйства.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» в 2009-2012 гг.

По результатам исследований опубликовано 10 научных статей, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель.

Экспериментальный образец внедрен в учебный процесс кафедры ПЭ-ЭСХ ФГБОУ ВГЮ «Ставропольский ГАУ», имеется акт внедрения результатов исследований в Ставропольское краевое общество пчеловодов, а именно в пчеловодческое хозяйство «Лёхин мед».

Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основной части, общих выводов, списка литературы из 180 наименований. Общий объем диссертации -149 страниц машинописного текста, содержит 63 рисунка и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, изложено краткое содержание работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения пасечного хозяйства» рассмотрены основные конструкции ветродвигателей, возможные способы накопления энергии и компоновочные схемы, пригодные для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности, например пасечных хозяйств.

Для автономного электроснабжения пасечных хозяйств в Ставропольском крае наиболее часто используют систему аккумулятор-инвертор и передвижные дизельные или бензиновые электростанции. Использование аккумуляторов сдерживается высокой стоимостью и необходимостью периодической зарядки, а также наличием инвертора для преобразования напряжения. Применение бензогенераторов сдерживается высокой стоимостью, необходимостью техобслуживания, непрерывным ростом цен на ископаемые энергоносители, экологическим аспектом. В качестве альтернативного источника энергии можно использовать энергию ветра, как наиболее распространенного и дешевого источника энергшт.

Рассмотрены особенности систем генерирования, используемых для автономного электроснабжения, проанализированы способы стабилизации выходных параметров АГ (напряжения и частоты питающего тока) как за счет регулирования основного магнитного потока, так и за счет изменения частоты вращения ротора, пути повышения эффективности использования ВЭУ.

Представлена характеристика объекта электроснабжения пчеловодческого хозяйства «Лёхин мед» на 1100 пчелосемей, освещены технологические процессы производства меда, которые включают в себя следующие операции: подготовка рамок к откачке (при 25-30 °С мед обладает оптимальной вязкостью для откачки), распечатка сот, центрифугирование, фильтрация и расфасовка.

Для распечатки сот используют вибронож паровой (ВН) с электродвигателем, работающим от сети напряжением 220 В, мощностью 80 Вт и частотой вращения 1420 мин"1. Для процесса откачки меда используют 18-рамочную электрифицированную медогонку модели М18ЭГ мощностью 750 Вт, частотой вращения 370 мин"1. Рамки с распечатанными сотами устанавливают в медогонку, закрывают крышку и включают двигатель. Плавный разгон медогонки, торможение и реверсирование ротора, подача звукового сигнала в конце цикла откачки происходит автоматически. Также в пасечных хозяйствах, помимо получения меда, предусматривается переработка воскового сырья, получение пчелиного яда и других продуктов пчеловодства.

Откачка и обработка меда, а также переработка дополнительных продуктов пчеловодства при помощи специального электрифицированного оборудования позволяет хозяйству снизить трудоемкость и ускорить процесс без привлечения дополнительной рабочей силы.

Максимум энергопотребления приходится на утренние и вечерние часы (до 1050 Вт), суточное потребление электроэнергии около 8 кВт-ч. Утренний максимум энергопотребления обусловлен использованием освещения и бытовой нагрузки, вечерний максимум складывается в основном из производственной нагрузки, что связано с особенностью технологических процессов в пасечном хозяйстве.

Вопросы использования возобновляемых источников энергии рассмотрены в работах таких ученых, как Р. А. Амерханов, Н. И. Богатырев, С. М. Воронин, О. В. Григораш, В. П. Харитонов, Л. А. Саплин, Б. В. Лукутин, Е. М. Фатеев, В. Э. Степанов, А. И. Кирюшатов, Н. В. Красновский, И. Я. Шеффер и др. Вопросы использования асинхронных генераторов рассмотрены в работах Г. Н. Алюшина, Н. Д. Торопцева, Г. В. Никитенко, И. А. Бузко, Ю. Д. Зуб-кова, В. Н. Ванурина и др.

Большинство районов Ставропольского края обладают высоким ветроэнергетическим потенциалом, поэтому в качестве альтернативного источника широко используется энергия ветра.

Автономное электроснабжение пасечного хозяйства, в связи с малым суточным потреблением электроэнергии и незначительной установленной мощностью потребителей, остается весьма актуальным, так как прокладка к ним ЛЭП является нецелесообразной. При этом с учетом неравномерности поступления ветровой энергии и изменения токов нагрузки потребителей пасечного хозяйства проблема стабилизации выходных параметров АГ остается открытой.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

— разработать систему автономного электроснабжения с устройством стабилизации частоты вращения ротора АГ и обосновать режимы её работы;

— разработать устройство стабилизации выходных параметров АГ (напряжения и частоты питающего тока) системы автономного электроснабжения;

— построить математическую модель системы автономного электроснабжения на основе ВЭУ, связывающую режимы работы и параме-

тры электромеханического устройства стабилизации на основе МПТ и выходные параметры АГ в зависимости от величины нагрузки;

- предложить методику определения структуры системы электроснабжения автономных потребителей пасечного хозяйства;

- выполнить технико-экономическое обоснование эффективности системы автономного электроснабжения.

Во второй главе «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения» в результате исследований была разработана структурная схема системы автономного электроснабжения с устройством стабилизации частоты вращения АГ (рис. 1), определены режимы работы системы автономного электроснабжения при изменении скорости ветра и величины электрической нагрузки.

Рисунок 1 - Структурная схема ВЭУ для автономного электроснабжения потребителей (1 - ветроколесо; 2 - входной вал ветроколеса; 3 - мультипликатор; 4 - вал мультипликатора; 5 - статор машины постоянного тока; 6 - якорь машины постоянного тока; 7 - вал; 8 - асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором; 9 - батарея конденсаторов; 10-трансформаторынапряжения; 11 - потребитель электрической энергии; 12-диодныймост; 13-блокуправления; 14-аккумуляторная батарея; 15-преобра-зователь напряжения; 16 - подшипники)

Статор и якорь машины постоянного тока находятся в горизонтальном положении и вращаются независимо друг относительно друга благодаря подшипникам на валах, при этом статор машины постоянного тока механически соединен с выходным валом мультипликатора, а якорь машины постоянного тока соединен с короткозамкнутым ротором асинхронного генератора, тем

самым обеспечивая передачу крутящего момента от ветроколеса к асинхронному генератору.

Регулирование частоты вращения ветродвигателя осуществляется в результате усиления или ослабления магнитных полей статора и якоря машины постоянного тока. Имеется возможность регулирования, как ниже частоты вращения входного вала, так и выше, также возможно поддержание необходимой частоты вращения выходного вала при неподвижном состоянии входного вала в результате работы машины постоянного тока в двигательном режиме, имеется возможность генерирования электрической энергии при работе машины постоянного тока в генераторном режиме.

Осуществление того или иного режима работы машины постоянного тока производится в зависимости от уровня сигналов (значения напряжения на потребителе), поступающих с трансформаторов напряжения в блок управления, который и формирует необходимые уровни напряжения на обмотках машины постоянного тока за счет энергии аккумуляторной батареи и преобразователя напряжения.

Машина постоянного тока в рассмотренной ветроэнергетической установке накапливает электрическую энергию (в случае ее избытка) на аккумулятор и использует накопленную энергию с аккумулятора (в случае нехватки мощности на ветроколесе), обеспечивая стабилизацию частоты вращения вала асинхронного генератора при изменении нагрузки потребителя или ветровой нагрузки и соответственно обеспечивая стабильные выходные параметры генератора (С/= 220 В;/= 50 Гц).

Электромеханический стабилизатор частоты вращения (рис. 2) выполнен на основе машины постоянного тока и является её регулятором.

частоты вращения (обозначения расшифрованы по тексту)

Регулятор частоты вращения вала на основе двигателя постоянного тока работает следующим образом.

На входной вал 1 подается крутящий момент, при этом к токоведущим кольцам 5 посредством электрических щеток подаётся напряжение на обмотку возбуждения 4 машины постоянного тока и якорную обмотку 11 машины постоянного тока, в результате между данными обмотками и постоянным магнитом 8 возникает электромагнитное поле, позволяющее регулировать частоту вращения выходного вала 12. При необходимости увеличения частоты вращения выходного вала 12 по отношению к частоте вращения входного вала 1 на якорной обмотке 11 машины постоянного тока увеличивают напряжение, в результате чего увеличивается частота вращения якоря 9 машины постоянного тока и соответственно выходного вала 12. При необходимости уменьшения частоты вращения выходного вала 12 по отношения к частоте вращения входного вала 1 необходимо использовать тормозной режим работы машины постоянного тока, при этом возможна генерация электрической энергии машиной постоянного тока за счет встроенного в её статор 3 постоянного магнита 8. Взаимодействие магнитных полей обмотки возбуждения 4 машины постоянного тока и магнитного поля постоянного магнита 8 позволяет уменьшить расход электроэнергии при передаче энергии от статора 3 к якорю 9.

Предлагаемое устройство позволяет стабилизировать частоту вращения генератора, привод которого осуществляется от двигателей с изменяющейся частотой вращения, также имеет возможность генерации электрической энергии при переходе в тормозной режим. Вырабатываемая энергия накапливается в аккумуляторах и может быть использована для поддержания работы данного электромеханического устройства в двигательном режиме.

Для определения возможности электроснабжения потребителей пасечного хозяйства от ветродвигателя в течение длительного времени учитывались удельные технические и энергетические ресурсы воздушных течений, которые определяются по выражению (1), то есть энергия, которую реально мы сможем получить от ветра в том или ином районе Ставропольского края, что позволяет определить конструктивные параметры ветродвигателя.

"" Уг Гтах

Ё . о)

Ы'тт 1=Уг

IV = 0,65 -1(Г3 Ср А/

где Л?, — промежуток времени, час;

р( V) - вероятность распределения случайной величины V; КШ|П, Ктах - нижний и верхний предел рабочего диапазона скоростей ВЭУ, м/с;

Ср - коэффициент использования ветрового потока. В соответствии с выражением (1) удельные технические энергетические ресурсы воздушных течений для перечисленных районов представлены в таблице 1. ТТри расчетах принимались следующие значения: Утш = 3 м/с; Урав = 6 м/с; Ктах = 20 м/с; Ср = 0,35.

Таблица 1 - Оценка удельных технических энергетических ресурсов для перспективных районов Ставропольского края

Район, город Высота установки ветродвигателя, м

8 15 30 45

Удельные среднегодовые технические энергетические ресурсы, кВт-ч/м2

Туркменский 34,84 70,75 132,39 175,01

Нефтекумский, Левокумский 10,72 24,92 56,41 85,89

Ипатовский 13,26 30,01 66,33 98,89

Труновский 4,02 11,39 28,54 46,23

Андроповский 49,84 95,54 164,55 207,71

г. Ставрополь 145,39 211,98 278,45 310,07

Исходя из данных таблицы 1 выбираем ветродвигатель от установки 3000 с диаметром ротора 6 метров, количеством лопастей 3, который способен осуществить электроснабжение потребителей пасечного хозяйства. Ветродвигатель с данными параметрами при скорости ветра 6 м/с развивает крутящий момент 80 Н-м. С другой стороны, асинхронный генератор создает тормозной момент, который составляет 30 Н-м при мощности нагрузки 3 кВт, следовательно, данный ветродвигатель способен обеспечить работу системы электроснабжения потребителей пасечного хозяйства. МПТ, передающая момент от ветроколеса к АГ, должна быть соизмерима по мощности с асинхронным генератором.

Для построения математической модели работы системы электроснабжения принята электромеханическая схема ветроэнергетической установки (рис. 3).

| Нагрузка

(1 •е»

Мя.со.

и

Рисунок 3 — Электромеханическая схема ветроэнергетической установки

Приращение механического момента определяется из электромагнитного момента, развиваемого асинхронным генератором, моментов машины постоянного тока и ветродвигателя. Их алгебраическая сумма в установившемся режиме должна быть равна нулю:

ДМ = аМв ± Мэп - Мг = 0, (2)

где а - коэффициент, учитывающий потери при передаче вращающего момента ветродвигателя через машину постоянного тока валу асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором; Мв — механический момент на валу ветроколеса; МЭп ~ электромагнитный момент машины постоянного тока; Мг - тормозной момент асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором.

Электромагнитный момент машины постоянного тока МЭп в формуле (2) записан со знаками «плюс» и «минус» для двигательного и генераторного режима работы соответственно.

Момент на валу ветроколеса определится из следующего выражения:

мв = ^рУ2Ср(П (з)

где II — радиус ветроколеса, м; V — скорость ветра, м/с; р - плотность воздуха, кг/м3; X — быстроходность ветроколеса. Момент машины постоянного тока зависит от тока якоря и определяется по зависимости

Мэп=СмФ1я, (4)

где См ~ коэффициент момента машины постоянного тока, зависящий от конструктивных особенностей; Ф — магнитный поток;

[я — ток якоря машины постоянного тока, А. Тормозной момент асинхронного генератора определяется следующим выражением:

_тУ01 АГсо* фл (5)

где т — количество фаз АГ;

и,ф — напряжение на статорных обмотках АГ, В; 1лг — ток нагрузки асинхронного генератора, А; соб ф — коэффициент мощности АГ; Л - КПД АГ;

со0 — частота идеального холостого хода, рад/с; 5 - скольжение (для работы в генераторном режиме Я < 0).

Опустив промежуточные преобразования, получим

>пЦф1 АГ СОБ фГ|

п = 9,55-

а

рУ2С(У)±СмФ1я-АМ

22 1 ~ р 4 / — ""м я

Из выражения 6 определяется фазное напряжение асинхронного генератора при изменении его момента на линейной характеристике 4 квадранта:

п

Г ттД3

а-

22

р¥2С(У)±СмФ1я-Ш

9,55т!АГ соэфГ!

(7)

Фазное напряжение АГ зависит от вращающего момента ветродвигателя (изменяется случайным образом) и момента МПТ, которая может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме, тем самым компенсируя избыток или недостаток вращающего момента ветродвигателя, и обратно пропорционально току АГ (мощности нагрузки).

Графические зависимости напряжения на фазах АГ от скорости ветра на валу ветроколеса и тока якоря МПТ, а также от тока нагрузки и тока якоря представлены на рисунке 4. Характер зависимостей (рис. 4а) обусловлен нелинейностью коэффициента использования ветрового потока для выбранного ветроколеса. На рисунке 46 следует отметить резкое изменение напряжения на фазах АГ при увеличении тока нагрузки. Причем изменение тока нагрузки при малых значениях оказывает большее влияние на изменение напряжения, чем при больших значениях тока нагрузки.

а> £ к о. с го X

400 300 200 100 0 -100

5 /- /" 3_ 4

-- --

\ 6

--- \

1

-2 0 2 Ток якоря, А

-2 0 2

Ток якоря, А

Рисунок 4 - График зависимости напряжения на фазах генератора от скорости ветра на валу ветроколеса (1-3 м/с; 2-5 м/с; 3-7 м/с: 4-9 м/с; 5-11 м/с; 6-13 м/с) и тока якоря машины постоянного (а), а также от тока нагрузки (1 - 2 А; 2 - 4 А; 3 - 6 А; 4 - 8 А) и тока якоря (б)

Рассмотрена устойчивость работы ветроэнергетической установки с асинхронным генератором с короткозамкнутьм ротором и устройством стабилизации частоты вращения на основе МПТ. Устойчивость системы определяется при помощи программного обеспечения Л^вЯт 5.0 по годографу Най-квиста. Исходя из конфигурации полученного годографа, можно считать, что рассматриваемая система является устойчивой.

Согласно задачам исследования разработана методика определения варианта автономного электроснабжения потребителей.

При выборе системы электроснабжения целевой функцией является минимальная себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, т. е.

Б = /{кп,КсЛэи)^ тт, (8)

где Кп - прямые капитальные вложения в систему автономного электроснабжения;

Кс — сопутствующие капитальные вложения; Кэи - эксплуатационные издержки. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой бензогенератором:

„ Зу • руст + з„ • Руст -зА0-( + • сбр,„ • }ГС),„ -к,-г

IV ■К-[ '

сут г

где 3„ - капитальные вложения на 1 кВт бензогенератора; Руст ~ установленная мощность, Вт; 3А0 - норма амортизационных отчислений, %;

I — количество расчетных периодов; Сет — стоимость топлива, руб.;

\\\ут - потребление электрической энергии в сутки, кВт-ч; К, — количество суток в расчетном периоде. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетической установкой:

(3 ■Р + 3 Р ■3 Л__

\ЭВЭУ Г1Я «ЗУ Г уст ~>ЛО 1)

»^е-Э!.- — "

0,65 -У1-х\в

3 Р -Т

АБ уст гчт

( / Ч'Ч ^

1 +1гипс — +3АБ- Руст -3А0-1- Тшт V \1ае)) _)

Ky.-K.-t

где Ттт - максимальное время штиля, час;

Тлб - срок службы аккумуляторных батарей, лет; ?гипс- целая часть числа;

"■-Г4-

(10)

Дальнейшее снижение стоимости может быть связано с частичным замещением аккумуляторных батарей резервным источником питания, тогда

(3/1ЭУ ' Р^т ^ВЭУ ' Руст ' ^АО '

1 + А",

0,65-V* -г)в

О __\_Р 'Д ,

^R'bVj.nr — ______'

w к " cjm lví 1

3 P -T

АБ vcm um

' ( t ЛЛ l + trunc — T

+ 3 P -3 ■t-T

^ ~'АП 1 уст -'АО 1 1 шт

■Кг

W^-K-í

( ' Руст + ^y ' Руст ' 3АО ' t + Q„„ " Cüí.m • Pyrlyl ■ t ■ 11¡V ¡ j • K.

+ Wc>n-K,-t '

где t — время работы резервного источника питания, час; ■р - КПД резервного источника питания;

^ _ 1А ~1рез .

К2 ---,

Ь-Ъл

к =

(П)

^В'^рез

Использование ветроэнергетических установок для электроснабжения потребителей целесообразно при установленной мощности до 2,5—3 кВт и суточном потреблении 15—25 кВт-ч. При этом минимальная расчетная стоимость электроэнергии, получаемой от бензогенератора, составляет 13,1 руб/кВт-ч, от ВЭУ - 10,8 руб/кВт-ч, от ВЭУ + РИП (БГ) - 5,9 руб/кВт-ч.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований автономной электростанции» приведены общие положения, основные задачи экспериментального исследования, экспериментальная установка (рис. 5).

В процессе эксперимента проверялась работа системы автономного электроснабжения с использованием ВЭУ, при этом решались следующие задачи:

1. Изучить возможность работы асинхронной машины в качестве генератора. Для этого необходимо на фазах асинхронного генератора добиться действующих значений номинальных параметров, соответствующих ГОСТ 13109-97, то есть напряжение 220 (380) В, частота питающего тока 50 Гц, форма генерируемого сигнала — синусоида.

2. Выявить диапазон регулировочных характеристик стабилизатора частоты вращения на основе машины постоянного тока при изменяющейся угловой скорости ветроколеса и мощности потребителей.

3. Определить режим совместной работы ветродвигателя и машины постоянного тока на вал асинхронного генератора при изменяющейся скорости вращения ветродвигателя и мощности потребителей.

4 Оценить работу МПТ в генераторном режиме.

1 2 3 4 5 6

Рисунок 5 - Экспериментальная установка для испытания системы автономного электроснабжения (1 - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; 2- графитовые щетки; 3 - контактные кольца; 4 - машина постоянного тока; 5 - клемная колодка; 6 - электрическая нагрузка; 7 - асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором; 8, 10 - измерительные приборы; 9 - осциллограф)

В четвертой главе «Экспериментальные исследования системы автономного электроснабжения» представлены результаты экспериментального исследования работы системы автономного электроснабжения. Исследования показывают, что частота питающего тока на фазах асинхронного генератора, работающего в автономном режиме, зависит от емкости пусковых конденсаторов и описывается выражением, полученным в результате регрессии экспериментальных данных

где С — емкость пусковых конденсаторов, мкФ.

Изменение напряжения на фазах асинхронного генератора в зависимости от частоты вращения ротора измерялось в установившемся режиме и показано на рисунке 6.

и, в

у = 2 727х - 26 !2 = 0,995 !8,6

п, об/мин

Рисунок 6 - Зависимость уровня напряжения на фазах асинхронного генератора от частоты вращения ротора

При увеличении нагрузки частота вращения ротора АГ понижается, однако увеличение тока якоря машины постоянного тока способствует её увеличению (рис. 7) и стабилизации напряжения на фазах асинхронного генератора.

Рисунок 7 - Графическое представление экспериментальных зависимостей частоты вращения от мощности нагрузки и тока якоря машины постоянного тока при изменении нагрузки (а - двухмерный, б - трехмерный)

По результатам двухфакторного эксперимента получено уравнение регрессии. Уравнение регрессии, описывающее зависимость частоты вращения ротора АГ от мощности потребителей электроэнергии и тока якоря МПТ, предсташтено следующим выражением:

где У

Хх Х2

7= 1002,025 - 8,525АГ! + 13,325Х2 + 0,115Х\Х2,

- частота вращения ротора АГ:

- фактор, мощность потребителей электроэнергии;

- фактор, ток якоря машины постоянного тока.

Полученная модель по критерию Фишера адекватна при р = 0,05.

Исследуем работу машины постоянного тока в генераторном режиме.

Из рисунка 8 видно, что при частоте вращения ротора около 800 мин~' машина постоянного тока генерирует максимальную мощность. Дальнейшее увеличение частоты вращения якоря МПТ ведет к срыву генерации, в результате чего рабочим диапазоном работы машины постоянного тока можно считать диапазон от 400 до 900 об/мин, который позволяет получить выходное напряжение более 12 В для заряда аккумуляторных батарей.

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

п, об/мин

Рисунок 8 — Зависимости напряжения на якоре машины постоянного тока от частоты вращения вала якоря (генераторный режим) при увеличении нагрузки (1-10 Вт; 2-20 Вт; 3-30 Вт; 4-40 Вт; 5-50 Вт)

В пятой главе «Технико-экономическое обоснование применения ВЭУ для электроснабжения пасеки» рассмотрены экономические аспекты использования системы автономного электроснабжения с использованием ВЭУ. Проанализированы варианты осуществления автономного электроснабжения потребителей с использованием аккумуляторных батарей, бензогенератора и ВЭУ. ЧДД при использование ВЭУ по сравнению с вариантом электроснабжения от аккумуляторных батарей и бензогенератора составил 489300 и 105400 рублей соответственно. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии в проектируемом варианте составила 10,4 руб/кВт-ч.

Выводы

1. Для электрического снабжения потребителей пасечного хозяйства мощностью нагрузки до 3 кВт целесообразно применение системы автономного электроснабжения, состоящей из ветроэнергетической установки, устройства стабилизации частоты вращения, выполненного на основе машины постоянного тока с двумя степенями свободы и асинхронного генератора, обеспечивающего суточное потребление до 25 кВтч.

2. Применение трехлопастного ветродвигателя с диаметром лопастей ротора 6 метров при скорости ветра б м/с позволяет развить крутящий момент в 2,5 раза больше тормозного момента асинхронного генератора, мощностью 3 кВт, что позволяет обеспечить энергией потребителей пасечного хозяйства на 1100 пчелосемей.

3. Устройство стабилизации выходных параметров (напряжения и частоты) асинхронного генератора на основе МПТ позволяет при изменении скорости ветра от 0 до 20 м/с и изменении мощности нагрузки до 3 кВт поддерживать скорость ротора генератора 1050 об/мин.

4. Определены режимы работы устройства стабилизации частоты вращения на основе МПТ в составе ВЭУ. Данное устройство может работать как в двигательном (поддерживая крутящий момент на валу ветроколе-са), так и в генераторном режиме (в случае избытка энергии на валу ве-троколеса или отсутствия нагрузки потребителей). При работе устройства стабилизации частоты вращения на основе МПТ в генераторном режиме генерируемая мощность составляет от 20 до 200 Вт при частоте вращения якоря от 400 до 900 об/мин.

5. Предложенная математическая модель ветроэнергетической установки позволяет рассчитать напряжение на фазах АГ при изменении скорости ветра до 20 м/с и мощности нагрузки до 3 кВт с учетом работы устройства стабилизации на основе МПТ, работающем как в двигательном, так и генераторном режиме, с погрешностью до 5 %.

6. Согласно методике определения структуры системы автономного электроснабжения ветроэнергетические установки экономически целесообразно применять для потребителей с суточным потреблением энергии до 25 кВт-ч и установленной мощностью до 3 кВт (что соответствует пчеловодческому хозяйству «Лёхин мед» с суточным потреблением электроэнергии 8 кВт-ч и Р = 3 кВт), минимальная расчетная стоимость электроэнергии составляет 10,8 руб/кВт-ч.

7. Технико-экономические расчеты системы автономного электроснабжения с использованием ВЭУ по сравнению с вариантом электроснабжения от аккумуляторных батарей и бензогенератора показали экономическую эффективность, ЧДЦ в первом случае за расчетный период 10 лет составил около 490000 рублей, во втором более 100000 рублей. Целесообразность использования данной системы электроснабжения достигается при удалении сельскохозяйственных потребителей от ЛЭП на расстояние 800 и более метров, себестоимость вырабатываемой электроэнергии в проектируемом варианте составляет 10,4 руб/кВт-ч.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Коноплев, П. В. Оценка вариантов автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. — № 1. — С.16-17.

2. Коноплев, П. В. Ветроэнергетическая установка автономного электроснабжения / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Сельский механизатор. - 2012. - № 2. - С. 25.

3. Коноплев, П. В. Стабилизация частоты вращения генератора ветроуста-новки / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2012. - № 5. - С. 24-25.

патенты:

4. Пат. 113308 Российская Федерация, МПК РОЗО 9/00. Ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения потребителей [Текст] / Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коноплев П. В. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ. -№2011131341/07 ;заявл. 26.07.2011 ; опубл. 10.02.2012, Бюл. № 4.

в сборниках научных трудов:

5. Коноплев, П. В. Электроснабжение потребителей с использованием автономной ветроэнергетической установки / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции СтГАУ. - Ставрополь, 2010. -С. 165-167.

6. Коноплев, П. В. Режимы работы системы автономного электроснабжения потребителей / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции СтГАУ. - Ставрополь, 2010. - С. 167-171.

7. Коноплев, П. В. Ветроэнергетическая установка автономного типа / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции СтГАУ. - Ставрополь, 2010. - С. 171-176.

8. Коноплев, П. В. Обоснование структуры системы автономного электроснабжения / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Сборник научных трудов по материалам 75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ. - Ставрополь, 2011.-С. 137-143.

9. Коноплев, П. В. Ветроэнергетическая установка / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев // Сборник научных трудов по материалам 75-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ. - Ставрополь, 2011. - С. 143-145.

10. Коноплев, П. В. Электроснабжение автономных потребителей посредством использования ветроэнергетических установок / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев, П. В. Коноплев, А. А. Лысаков // Наука и техника : монография. - Красноярск : Научно-инновационный центр, 2011. -С. 124-146.

11. Коноплев, П. В. Модель ветроэнергетической установки / П. В. Коноплев // Сборник научных трудов по материалам 76-й научно-практической конференции электроэнергетического факультета СтГАУ. - Ставрополь, 2012. - С. 56-64.

Подписано в печать 01.03.2013. Формат 60x84 '/16. Гарнитура «Тайме». Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 96.

Отпечатано в типографии издательско-полиграфического комплекса СтГАУ «АГРУС», г. Ставрополь, ул. Пушкина, 15.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Коноплёв Павел Викторович

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ ПАСЕЧНОГО

ХОЗЯЙСТВА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертация ^^ на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Й « ю

^ О Научный руководитель:

^ доктор технических наук,

^^ О профессор Никитенко Г.В.

СМ см' ^ см

Ставрополь - 2013

Содержание

Введение.......................................................................................4

1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПАСЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА...........................11

1.1. Конструкции ветроэнергетических установок, наиболее пригодные для автономного электроснабжения пасечного хозяйства..................11

1.2. Возможные способы аккумулирования энергии и компоновочные схемы электроснабжения пасеки................................................20

1.3. Выбор и обоснование применения асинхронного генератора

в системах автономного электроснабжения..................................34

1.4. Способы стабилизации выходных параметров асинхронного генератора...........................................................................45

1.5. Характеристика объекта проектирования и его технологических процессов............................................................................54

1.6. Цель и задачи исследования................................................59

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПАСЕКИ......................................................................................61

2.1. Структурная схема ветроэнергетической установки автономного электроснабжения..................................................................61

2.2. Математическая модель режимов работы ветроэнергетической установки..................................................................................................67

2.3. Схема замещения цепи выпрямленного тока системы электроснабжения пасеки.........................................................79

2.4. Устойчивость работы ветроэнергетической установки

с асинхронным генератором.....................................................83

2.5. Обоснование методики выбора структуры системы автономного электроснабжения пасечного хозяйства.......................................87

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ.....................96

3.1. Алгоритм экспериментальных исследований...........................96

3.2. Программа проведения физического эксперимента...................96

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований...........97

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ .....................................106

5. ТЕХНИКО ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ

ВЭУ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПАСЕКИ.....................................117

Выводы.....................................................................................124

Список литературы........................................................................126

Приложения...............................................'................................145

Введение

В настоящее время проблемы истощения ископаемых энергоресурсов и их негативное влияние на окружающую среду приобрели особую актуальность. Рост цен на энергоносители заставляет по иному оценить современную ситуацию в энергетике, что подталкивает к поиску альтернативных видов энергии и энергосбережению.

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) способно в некоторой степени решить энергетические проблемы. Энергия Солнца и ветра по определению не подвержена истощению, что дает практически безграничные возможности к ее освоению. Однако основной проблемой в освоении ВИЭ является преобразование энергии Солнца и ветра в механическую, электрическую и другие виды энергии.

Современная ветроэнергетика во многих странах мира является одним из главных направлений альтернативной энергетики. К сожалению, доля нетрадиционных источников энергии (включая ветроэнергетику) в нашей стране составляет не более 1,5 % [17, 34, 119].

Использование ВИЭ является одной из важнейших задач, вытекающих из Федерального закона «Об энергосбережении» № 261-ФЗ от 23.11.2009, во всех регионах России.

Растущая потребность в применении ВИЭ обусловлена необходимостью повышения конкурентоспособности систем энергоснабжения. Особенно актуально это для автономных систем энергоснабжения, в которых использование ВИЭ более предпочтительно, нежели централизованные энергосистемы.

Основными факторами эффективного использования ветрового потока являются: метеорологические условия (возмущение атмосферы, изменение солнечной активности и так далее); рельеф местности, регион размещения ветроэнергетической установки (ВЭУ); методы преобразования поступающей энергии.

Кроме метеорологических показателей определяющую роль играют следующие факторы:

- экономические: стоимость ВЭУ и срок окупаемости;

- законодательные: закон об охране природы, правила безопасности полетов, охрана здоровья населения;

- экологические: отрицательное воздействие на окружающую среду, шум и изменение ландшафта местности;

- технические: помехи для приема телерадиосигнала.

В последнее время наблюдается интенсивное развитие пчеловодческих хозяйств, имеющих незначительную нагрузку, вследствие чего к ним не выгодно прокладывать линии электропередач. Установленная мощность таких потребителей, как правило, не превышает 3 кВт. Удаление пчеловодческих хозяйств от электрических сетей делает автономное электроснабжение единственным приемлемым вариантом. В настоящее время для автономного электроснабжения пасечных хозяйств в подавляющем большинстве используют передвижные дизельные или бензиновые электростанции, а также системы «аккумулятор - инвертор». Использование топливных электростанций сдерживается прежде всего их высокой стоимостью, необходимостью транспортировки топлива, оборудования мест для безопасного хранения горюче-смазочных материалов, экологическим аспектом. Применение системы «аккумулятор - инвертор» также обусловлено высокой стоимостью компонентов. В процессе использования такой системы неизбежны дополнительные расходы, связанные с обслуживанием аккумуляторов, а также их заменой, обусловленной ограниченным сроком службы; необходимость дополнительного источника энергии для зарядки аккумуляторов усложняет систему. Непрерывный рост цен на ископаемые энергоносители вынуждает искать другие способы электроснабжения, что говорит о преимуществе использования ВЭУ для автономного электроснабжения пчеловодческих хозяйств.

Применение в системах автономного электроснабжения (САЭ) ВЭУ становится все более перспективным с развитием новых технологий. В то же время анализ существующих отечественных и зарубежных разработок в области ветроэнергетики указывает на ряд проблем, снижающих эффективность использования ВЭУ в системах автономного электроснабжения. Эти проблемы можно разделить на методические, технологические и финансовые. Методические связаны с недостаточной проработкой методики определения структуры системы автономного электроснабжения, отсутствием достоверных данных о ветровом потоке и потребительской нагрузке. Технологические связаны с повышением эффективности ВЭУ, а также систем генерирования, аккумулирования и преобразования энергии. Финансовые трудности указывают на слабую конкурентоспособность возобновляемой энергетики, низкие цены на сельскохозяйственную продукцию и электроэнергию центрального электроснабжения.

В связи с высокой стоимостью и нецелесообразностью прокладки линий электропередач к маломощных потребителям с малым суточным потреблением энергии целесообразно осуществлять автономное электроснабжение с применением возобновляемых источников энергии. Использование энергии ветра в автономных системах электроснабжения, как наиболее распространенного и дешевого источника энергии для удаленных от ЛЭП сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности, становится весьма актуальным.

Цель работы: обоснование структуры, параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения удаленных сельскохозяйственных потребителей малой мощности.

Научная гипотеза: требуемые выходные параметры системы автономного электроснабжения на основе асинхронного генератора ветроэнергетической установки могут быть обеспечены при постоянной (стабильной) частоте вращения ротора.

Рабочая гипотеза: стабильная частота вращения ротора асинхронного генератора автономной системы электроснабжения от ветроколеса может быть обеспечена электромеханическим устройством на основе машины постоянного тока.

Объект исследования: устройство стабилизации выходных параметров асинхронного генератора ветроэнергетической системы автономного электроснабжения.

Предмет исследования: зависимость параметров системы «ветроколесо - стабилизатор - асинхронный генератор» от энергетических характеристик ветра и мощности потребителей энергии.

Методы исследования: аналитические и экспериментальные методы, аппарат имитационного моделирования и системного анализа, математическое моделирование, теория математической статистики, электропривода и теория автоматизированного электропривода.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы.

В главе 1 «Ветроэнергетическая установка для автономного электроснабжения пасечного хозяйства» рассмотрены конструкции ветроэнергетических установок, способы аккумулирования энергии и компоновочные схемы систем автономного электроснабжения, освещен выбор и обоснование применения асинхронного генератора в системах автономного электроснабжения, представлены способы стабилизации выходных параметров асинхронного генератора, приведена характеристика объекта проектирования (пасечного хозяйства «Лёхин мед») и его технологических процессов, выявлена научная проблема.

В главе 2 «Теоретическое обоснование параметров и режимов работы системы автономного электроснабжения пасеки» рассмотрена структурная схема ветроэнергетической установки автономного электроснабжения с устройством стабилизации частоты вращения ротора асинхронного генератора, представлена математическая модель системы электроснабжения

и схема замещения цепи выпрямленного тока системы электроснабжения, проведено исследование устойчивости работы ветроэнергетической установки с асинхронным генератором, представлена методика обоснования и определения структуры системы автономного электроснабжения сельскохозяйственных потребителей из нескольких вариантов, таких как бензогенератор, ветроэнергетическая установка и ветроэнергетическая установка с источником резервного питания (бензогенератором), в заключение главы сделаны выводы.

В главе 3 «Программа и методика экспериментальных исследований автономной электростанции» представлен алгоритм экспериментальных исследований, программа проведения физического эксперимента, описана методика проведения экспериментальных исследований, определен перечень экспериментального оборудования и измерительных приборов для проведения исследований, показана схема экспериментальной установки и её фотографии.

В главе 4 «Экспериментальные исследования системы автономного электроснабжения» представлены результаты исследований согласно программе эксперимента, построены графические зависимости, к которым получены уравнения регрессии. Адекватность полученных уравнений определялась по критерию Фишера, достоверность данных по критерию Кохрена. В заключение главы представлены выводы.

В главе 5 «Технико-экономическое обоснование применения ВЭУ для электроснабжения пасеки» проводится расчет эффективности использования разработанной системы автономного электроснабжения по сравнению с электроснабжением пасечного хозяйства от аккумуляторных батарей и в сравнении с бензогенератором. По результатам расчета система автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки является наиболее экономически выгодной. К главе также имеются выводы.

Научную новизну работы составляют:

- система автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки для автономного электроснабжения пчеловодческих хозяйств;

- математическая модель, связывающая между собой частоту вращения асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ) автономной системы электроснабжения с параметрами машины постоянного тока, значениями напряжения и частоты питающего тока на фазах АГ и частотой вращения вала ветроколеса в зависимости от установленной мощности потребителей и суточного потребления энергии;

- графические зависимости изменения частоты вращения ротора АГ, напряжения на фазах генератора в функции тока якоря МПТ и скорости ветра;

- методика определения структуры системы автономного электроснабжения потребителей электрической энергии, удаленных от линий электропередач в зависимости от установленной мощности и суточного потребления электроэнергии.

Практическую ценность имеют следующие результаты:

- система автономного электроснабжения с использованием ВЭУ, включающая в себя устройство стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ;

- система стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ с вращающимися независимо друг относительно друга якорем и статором;

- математическая модель системы автономного электроснабжения на основе ВЭУ, связывающая режимы работы и параметры устройства стабилизации на основе МПТ и выходные параметры АГ в зависимости от величины нагрузки;

- диапазон регулирования системы стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ при изменяющейся скорости ветра и величины нагрузки;

- методика определения структуры системы автономного электроснабжения потребителей пчеловодческих хозяйств.

На защиту выносятся следующие положения:

- система автономного электроснабжения с использованием ветроэнергетической установки, включающая в себя устройство стабилизации частоты вращения ротора АГ;

- устройство стабилизации частоты вращения ротора АГ на основе МПТ с вращающимися независимо друг относительно друга якорем и статором;

- математическая модель системы автономного электроснабжения потребителей пасечных хозяйств на основе ветроэнергетической установки, с устройством стабилизации выходных параметров АГ;

- методика определения структуры системы автономного электроснабжения для пасечного хозяйства.

и

1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПАСЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА

1.1. Конструкции ветроэнергетических установок, наиболее пригодные для автономного электроснабжения пасечного хозяйства

В начале XXI века проблемы истощения ископаемого топлива и его негативное влияние на экологию приобрели особую актуальность. Углеводородное топливо стремительно дорожает, что заставляет переоценить современную ситуацию в энергетике и подталкивает к освоению новых источников энергии.

В последнее время значительно возрос мировой интерес к возобновляемым источникам энергии, таким как солнце, ветер и биотопливо. Все эти виды энергии доступны и имеют значительный потенциал [8, 9, 14, 19, 77, 117, 124, 135, 148, 177].

Возобновляемые источники энергии по определению не подвержены истощению, то есть способны полностью решить проблему истощения энергоресурсов, и повсеместно окружают нас, следовательно, их можно использовать, не нанося вреда экологии [34, 51, 52, 53, 66, 134, 180].

Ветроэнергетические установки преобразуют энергию ветра в электрическую энергию при помощи ветроколеса, которое преобразует поступательное движение во вращательное. Непосредственное преобразование механической энергии в электрическую происходит в генераторе. Этот процесс не отличается от преобразования механической энергии других источников, но имеются некоторые особенности, которые отражаются на работе всей системы [18, 21, 34, 51, 79, 95, 110].

Все ветроэнергетические установки имеют следующие конструктивные элементы:

- ветроколесо, с помощью которого отбирается часть энергии воздушного потока;

- опорная конструкция, выполняющая функцию несущего элемента;

- предохранительный механизм, защищающий ВЭУ от воздействия слишком больших ветровых нагрузок;

- устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую (генератор);

- аккумуляторы и преобразователи энергии.

Классификация ветроустановок приведена на рисунке 1.1 [28, 34, 111,

114].

Рисунок 1.1- Классификация ветроустановок

В настоящее время широкое распространение получили ветродвигатели с крыльчатыми лопастями и горизонтальной осью вращения. Крутящий момент ветроколеса создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком.

Мощность, развиваемая ветроколесом, определяется по формуле

Рь=РвУв^~Ср , (1.1)