Специфика электроснабжения индивидуальных потребителей на базе автономных ВЭС

Специфика электроснабжения индивидуальных потребителей на базе автономных ВЭС

В.И. Чиндяскин, к.т.н., А.А. Митрофанов, аспирант, Оренбургский ГАУ

Для рационального выбора типа и мощности ветроэнергетических установок (ВЭС) необходимо знать ветроэнергоресурсы в местах их размещения.

Мощность, которую можно получить от использования энергии ветра [1]:

г г

2 пС.,3

= Пт П Г

где п т, Пг и £ — соответственно коэффициент полезного действия трансмиссии от вала ве-троколеса к валу генератора, коэффициент полезного действия генератора и коэффициент использования ветроколесом энергии ветра; т — масса воздуха, проходящая через оме-таемую поверхность ветроколеса за одну секунду, кг/с;

р — плотность воздуха, кг/м3;

£ — площадь ометаемой поверхности ветро-колеса, м2;

V — скорость воздушного потока, м/с.

Из формулы (1) видно, что энергия, вырабатываемая ветроэнергетической установкой (ВЭУ), пропорциональна кубу скорости ветра.

В соответствии с этим наиболее подходящие места для размещения ВЭУ — это вершины холмов, не имеющие крутых склонов, деревьев и кустов. Однако в ряде случаев ВЭУ выгодно размещать в долинах рек, каньонах, на перевалах, где сужение путей воздушных масс приводит к резкому местному повышению ветроэнергетического потенциала [2].

Современная ветроэнергетика развивается в двух направлениях: энергоснабжение потребителей электрической энергии, удалённых от электроэнергетической системы (ЭС) (автономная ветроэнергетика), и выработка электроэнергии в ЭС (системная ветроэнергетика).

Автономная ветроэнергетика базируется преимущественно на применении ВЭУ мощностью 0,1—30 кВт. Системная ветроэнергетика в основном использует крупные ВЭУ единичной мощностью 0,1—1 МВт. ВЭУ объединяются в ветроэнергетические станции (ВЭС), которые должны строиться в районах с высокими и постоянными скоростями ветра. Работая в составе системы, они обеспечивают экономию органического топлива и улучшают экологическую обстановку района. Сельское хозяйство является областью преимущественного использования ав тономной ветроэнергетики.

С учётом имеющихся ветроэнергетических ресурсов и направленности сельскохозяйственного производства ВЭУ применяются:

1) для пастбищного водоснабжения и электроснабжения в крестьянских хозяйствах, на дачных и садовых участках (мощность установок 0,05-1 кВт);

2) для электротеплоснабжения автономных потребителей — рыболовных и чабанских бригад, различных станов, фермерских хозяйств, садовоогородных обществ и кооперативов (мощность установок до 30 кВт);

3) для параллельного (совместного) снабжения с ЭС или какими-либо другими электростанциями крупных потребителей — ферм, цехов, сушилок, станций первичной обработки сырья (мощность установок до 100 кВт).

Стационарные и передвижные установки малой мощности используются на полевых станах для автономного водоснабжения и питания бытовых электроприборов, насосов, электрической изгороди, освещения и т. д. Эти же установки находят применение в крестьянских и садоводческих хозяйствах [3].

В качестве наиболее распространённого устройства аккумулирования обычно применяется батарея аккумуляторов. Аккумуляторная батарея характеризуется возможностью отдавать потребителю значительную мощность, однако запасать электроэнергию она способна только на уровне мощности, определяемой величиной зарядного тока. Следовательно, избыток мощности ВЭУ над уровнем потребления нагрузкой и аккумуляторной батареей в большинстве случаев не может использоваться полезно. Излишки мощности расходуются на увеличение частоты вращения ветроколеса при снижении коэффициента полезного действия энергоустановки.

В автономных системах генерирования электроэнергии типа гидро- или ветротурбинно-электромашинный генератор соизмеримой мощности получили широкое распространение автобалластные системы регулирования режимов работы. Обычно балластные нагрузки включаются через вентильный регулятор мощности на выход синхронного или асинхронного генератора параллельно полезной нагрузке электростанции. Балластная нагрузка в таких системах рассматривается как дополнительная к полезной нагрузке станции, представляющей собой различные тепловые нагрузки [4].

Основным недостатком энергоустановок с балластным регулированием является менее эффективный способ утилизации энергии первичного источника, т.к. не учитывается ряд параметров, влияющих на коэффициент заполнения суточного графика нагрузки.

Несоответствие мощности ветрового потока и мощности нагрузки определяется переменным характером графика нагрузки и непостоянством ветрового потока. Скорость ветра характеризуется коэффициентом порывистости, который представляет собой отношение максимального

Рис. 1 - ВЭУ с контроллером заряда аккумуляторной батареи и утилизатором мощности, где:

ВК - ветроколесо; Г - генератор ВЭУ; ВБ - выпрямительный блок; НЭ - нагревательный элемент; БУ - блок управления; АБ - аккумуляторная батарея

Рис. 2 - Схема ВЭУ с утилизатором мощности

порыва ветра за определённый временной интервал к средней скорости ветра на этом временном интервале. С учётом того, что мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра, использование энергии порывов ветра даст ощутимую прибавку мощности и энергии, генерируемой ВЭУ. Увеличение выработки энергии при прочих равных условиях приводит к снижению себестоимости вырабатываемой энергии и снижению срока окупаемости ВЭУ.

Утилизация электроэнергии ВЭУ, которая не может быть потреблена нагрузками в конкретный момент времени, может производиться автоматически управляемым утилизатором мощности, подключенным к блоку управления параллельно реальным электроприемникам (рис. 1). В качестве утилизатора мощности целесообразно использование электронагревательных элементов (НЭ), обеспечивающих горячее водоснабжение и электроотопление потребителей.

Статистика процентного распределения значений коэффициента порывистости для ряда ветровых диапазонов позволяет определить возможную выработку электрической и тепловой энергии ВЭУ с управляемым НЭ.

Согласовывать зарядную мощность аккумуляторной батареи с избытком мощности, утилизируемой в НЭ, в данной конструкции позволяет БУ.

Основное достоинство и преимущество данной конструкции от ранее предложенных состоит в том, что БУ подключается непостредственно к выводам генератора, что позволяет осуществлять полный контроль параметров элементов, входящих в состав схемы.

В зависимости от типа электростанции и характера изменения мощности её первичного энергоносителя, закона изменения мощности, утилизируемой НЭ (Рнэ), данная система позволит решить ряд задач, связанных с генерированием электрической и тепловой энергии. За счёт регулирования Рнэ можно стабилизировать выходное напряжение генератора по величине и частоте в условиях изменяющейся полезной нагрузки установки Рн или изменяющейся мощности Рг.

Наряду с функцией стабилизации рабочего режима системы ветроколесо — генератор пред-

лагаемая конструкция может позволить решать и другие задачи. Например, в составе ВЭС такие установки могут обеспечить максимальное использование энергии ветра, носящей пульсирующий характер. Максимальное использование энергии ветра заключается в использовании НЭ, как пиковых значений мощности генерируемой ВЭУ, и в использовании излишков мощности в случае низкого электропотребления, что в свою очередь позволяет выровнять график нагрузок всей станции в целом.

Баланс мощностей ВЭУ для этого режима описывается равенством:

На рисунке 2 изображена структурная схема ВЭУ с утилизатором мощности. Условные обозначения: Т — ветротурбина, Г — генератор, БУ — блок управления, В — выпрямитель, НЭ — нагревательный элемент, АБ — аккумуляторная батарея, И — инвертор, Н — нагрузка.

Основное назначение утилизатора мощности в данной конструкции заключается в утилизации максимальной мощности ВЭУ как при порывах ветра, так и при расчётной скорости в режиме с низким электропотреблением (режим холостого хода). Положительным эффектом системы с утилизатором мощности является ограничение диапазона частот вращения системы ветроко-лесо — генератор, что снижает требования к её механической прочности и улучшает использование активных частей электрической машины.

Таким образом, предложенная в данной статье конструкция ветроэнергетической установки является наиболее востребованной в хозяйствах, удалённых от энергосистемы и различных тепловых станций. Внедрение установки данного типа позволит снизить себестоимость получаемой энергии и срок окупаемости установки, повысить экономическую эффективность хозяйства.

Литература

1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: ОГИЗ, 1948. 539 с.

2. Попов Н.М., Олин Д.М. Электроснабжение: справочник электрика. Кострома: КГСХА, 2005. 102 с.

3. Закржевский Э.Р. Ветродвигатели для механизации животноводческих ферм. Минск: БССР, 1959. 197 с.

4. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие. М.: КНОРУС, 2010. 232 с.