Технико-экономический анализ применения ветроустановки как альтернативного источника энергии для объектов малой мощности

Казахстан постепенно начинает движение в сторону все большего и большего использования возобновляемых источников энергии, в частности, энергии ветра.

По оценкам Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК, экономически обоснованный к использованию потенциал энергии ветра в настоящее время может составить около 3 млрд. киловатт-часов в год. Большие возможности в этом обусловлены географическим положением Казахстана, лежащим в ветровом поясе северного полушария Земли.

Наиболее перспективные районы для развития ветровой энергетики – это Северный Казахстан, где почти повсеместно ветер имеет скорость 8-8,5 м/с, в особенности в окрестностях Кокшетау, Павлодара и Аркалыка.

Существуют различные схемы работы ветроустановки, но наиболее успешной является схема ветрогенератора с аккумуляторами и коммутация с сетью.

 

АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот - ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети.

Ветроустановка конструктивно состоит из следующих элементов: ротор или ветротурбина, генератор (синхронный трехфазный с возбуждением от постоянных магнитов), мачта с растяжками, контроллер заряда аккумуляторов, аккумулятор, инвертор (преобразует постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В).

Аккумулятор является необходимым элементом системы, являясь накопителем и перераспределителем энергии, что обеспечивает надежность электроснабжения. Контроллер необходим для управления поворотом лопастей, заряда аккумуляторов, выполняет защитные функции. Инвертор преобразует ток из постоянного в переменный, стабилизирует выходящее напряжение. Благодаря этим компонентам, обеспечивается надежное электроснабжение, как при порывистом ветре, так и в безветренную погоду.

Основным поставщиком ветроустановок в настоящее время является Европа. Лидирующие позиции по производству ВЭУ в мире занимают компании GE Energy, Nordex, Repower Systems, Siemens Wind Power, Gamesa. Наиболее востребованы на рынке ветроагрегаты мощностью 2-3 тыс. кВт (для промышленного применения).

На примере диспетчерской на машинном дворе Костанайского госуниверситета были произведены исследования технического и экономического обоснования нагрузки с расчетной мощностью Рр = 62 кВт, от роторной ветроустановки по схеме ветрогенератор (с аккумуляторами) и коммутация с сетью.

Необходимо определить мощность развиваемую ветроколесом, кВт:

Рвк = 4,81∙10-4∙ v3∙D2∙g, (1)

где v - средняя скорость ветра за определенный период времени, м/с;

D - диаметр ветроколеса, м;

g - коэффициент использования энергии ветра, у быстроходных ветроколес максимальная величина коэффициента находится в пределах 0,45…0,48.

Для этого находим среднюю скорость ветра за год для данного региона, м/с:

V = Vi/n, (2)

где Vi - средняя скорость ветра за определенный период времени (месяц), м/с таблица 1;

n - число измерений, n =12.

V = (5,2+4,9+4,2+4,8+4,6+4,1+3,3+3,2+4,4+4,1+4,7+5,1) / 12 = 4,4 м/с.

Для объекта мощностью Рр=62 кВт понадобится около 10 ветроустановок мощностью 6 кВт.

С экономической точки зрения будет рациональнее заменить 10 ВЭУ с Рр=6 кВт на одну более мощную ВЭУ с Рр = 75 кВт.

Исходя, из расчетов приняли ВЭУ мощностью 75 кВт.

Технические характеристики ветроустановки приведены в таблице 2

Таблица 2 -Технические характеристики ВЭУ -75 кВт (Vestas V17)

№ п/п

Наименование

Параметры

Г“

Диаметр ротора, м

Ī7

 

Ометаемая площадь, м2

222

 

Скорость вращения, об/мин

45

4¯¯

Направление вращения

По часовой стрелке

5¯¯

Вес лопастей, т

2,4

6~

Тип мачты

Трубчатый

Т~~

Высота мачты, м

22,5

8-

Количество секций

3

 

Вес мачты, т

5

ĩō■

Мощность основного генератора, кВт

75

Īĩ¯

Мощность малого генератора, кВт

Ī9

Ī2~

Напряжение, В

380

ĪЗ¯

Частота, Гц

50

Ī4¯

Номинальная скорость ветра, м/с

3

15”

Предельно допустимая скорость ветра, м/с

50

Ī6¯¯

Вес генераторов, т

4,5

Ī7¯¯

Стоимость ветрогенератора, евро

ЗŌŌŌŌ

Выбираем для данной ВЭУ инвертор марки Hyundai N700V- 750HF. Преобразователь частоты HYUNDAI серии N700V- универсальный преобразователь частоты с улучшенным векторным управлением, обеспечивающим высокие динамические характеристики, малое время реакции привода на изменение нагрузки. Встроенная функция оптимизации энергопотребления, позволит существенно снизить затраты электроэнергию.

Выбираем контроллер марки Morningstar TriStar.

116

Контроллер Morningstar TriStar использует технологию заряда PWM (Pulse Width Modulation) и может осуществлять 3 функции: заряд АКБ от ветороустановки (или других источников энергии), контроль нагрузки и распределение нагрузок между источниками энергии. Контроллер TriStar обладает высокой надежностью и безотказно работает в широком диапазоне температур от -40 до +40 C.

Прибор имеет широкий набор настроек и полностью защищен от ошибок в подключении, от перегрузок, короткого замыкания, превышений температуры и вольтажа.

Порт RS-232 позволяет подключить контроллер к компьютеру для мониторинга, записи данных и ввода дополнительных параметров.

Выбор аккумуляторной батареи:

Для выбора аккумуляторной батареи определяем емкость в А∙ч.

Учитывая большую мощность данного объекта, а, также зная, что данный объект относится ко II категории и перерыв электроснабжения составляет не более 30 минут, принимаем Рр=21,5 кВт, которая включает в себя диспетчерский пункт, телефонную линию и аварийное освещение. Тогда необходимое количество электроэнергии в сутки составит: 21500 · 1= 21,5 кВт∙ч. Для того, чтобы получить 21,5 кВт∙ч, необходимо иметь в запасе 21500 Ватт/12Вольт = 1792 Ампер-часов. Однако батарею нельзя использовать более чем на 80%. Следовательно, реальный запас электроэнергии должен быть 1792Ампер∙часов / 0,8 = 2240 Ампер-часов. КПД (эффективность) инвертора составляет обычно 85%, т.о. часть энергии уйдет на потери в этом приборе. Изначально необходимо иметь 2240Ампер-часов / 0,85 = 2635 Ампер-часов. Принимаем 4 аккумуляторной батареи емкостью 720 А∙ч марки Sonnenschein 6 OPzV 720.

Выбор питающих кабельных сетей

117

118

В результате исследования были обоснована рациональность использования ветроустановки на объектах малой мощности по сравнению с традиционными, более распространенными источниками, такими как дизельные и бензиновые электростанции.

 

Литература

  1. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию: в 2т/под общ. ред. А.А. Федорова. т1. Электроснабжение: М. Энергоатомиздат 1987 г. –С.568.
  2. Каталог продукции фирмы «Ветрогенераторы RKraft»,http://alt.rkraft.ru, 2010г.
Год: 2011
Город: Костанай