Проект ветряной электростанции для села Нори в ЯНАО

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1.Задание на проектирование

2.Оценка скорости ветра

2.1 Роза ветров поселка Нори

2.2 Сила ветра по шкале Бофорта

2.3 Оценка скорости ветра поселка Нори

3. Выбор генератора

4. Блок схема ВЭС

5. Выбор кабеля

6.Расчёт срока окупаемости

Заключение

Список использованной литературы



ВВЕДЕНИЕ

Энергия ветра уже тысячелетиями используется для помола зерна, перекачивания воды и других работ, заменяющих мускульную силу. Главной задачей ветроэнергетики на современном этапе является обеспечение энергией удаленных потребителей.

Именно вопрос энергоснабжения разрозненных сельскохозяйственных потребителей наиболее актуально стоит в большинстве регионов России, территории которых имеют природные ресурсы, возможность развития инфраструктуры и создания производства.

Ветроэнергетика - отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Энергия ветра (кинетическая энергия ветрового потока) является формой солнечной энергии: образование ветра является следствием деятельности солнца.

Использование энергии ветра не требует сжигания углеводородного топлива (ветер практически неисчерпаем), не приводит к выбросам углекислого газа, не связано с появлением радиоактивных отходов, сохраняющих свою опасность сотни тысяч лет. Экологи считают ветроэнергетику одной из важнейших отраслей для борьбы с выбросами парниковых газов и изменением климата.

Однако имеется ряд недостатков, к которым относятся:

непостоянная и нерегулируемая выработка электроэнергии;

более высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями;

необходимость развития сетевой инфраструктуры;

шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.

Проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций успешно разрешаются. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерам уменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.

На сегодняшний день ветроэнергетика является одним из самых востребованных способов использования альтернативных источников энергии. Однако несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, в России до сих пор практически нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков.

Данная работа будет посвящена частичному расчету прибрежной электростанции, обеспечивающей основную подачу электроэнергии для поселка.



1.ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Для выбранного региона рассчитать и выбрать ветроэнергетическую установку(ВЭУ), обеспечивающую основную подачу электроэнергии с необходимым качеством, напряжением 220 и 380 В и частотой 50 Гц для коттеджного поселка.

Ветроустановка будет рассчитана для села Нори, расположенного на берегу реки Надым, недалеко от места впадения реки в Обскую губу. Село входит в Надымский район Ямало-Ненецкого автономного округа, координаты: 66°09'02''с.ш. 72°25'24'' в.д. Численность постоянного населения по состоянию на 1 января 2013 года составила 361 человек (50 домов). В селе есть больница, школа, детский сад, дом культуры, отделение связи и действующая полярная станция.

Таблица №1. Суточное потребление электрической энергии на дом:

Потребитель	Кол-во, шт.	Мощность, кВт	Время работы, ч	Суточное потребление, кВт.ч
Электрическая плита	1	5	2	10
Холодильник	1	0,03	24	0,72
Телевизор	1	0,09	1	0,09
Компьютер	1	0,25	5	1,25
Освещение общее	25	0,625	5	3,125
Освещение местное	4	0,24	4	0,96
Пылесос	1	1,5	0,5	0,75
Электрический чайник	1	0,8	0,5	0,4
Утюг	1	2,2	1	2,2
Стиральная машина	1	1,6	1,5	2,4

По данным таблицы 1 рассчитаем суточное потребление 1 дома

Таким образом, для 50 домов необходимо 1 132 кВтч в сутки, но это энергия только для жилых домов, также необходимо обеспечить всю сопутствующую инфраструктуру. Расходы энергии с учетом этих потребителей в среднем возрастает на 40% .

Суточное энергопотребление района с учетом инфраструктуры

В таблице 2 и на рисунке1 приведены данные энергопотребления по часам.

Таблица 2. Энергопотребление села в сутки.

Час суток	Потребление энергии, кВт	Час суток	Потребление энергии, кВт
1	7	13	30
2	5	14	30
3	3	15	15
4	3	16	20
5	4	17	25
6	15	18	40
7	40	19	45
8	50	20	50
9	50	21	50
10	40	22	45
11	20	23	30
12	20	24	10

Рисунок 1. График суточного потребления энергии в селе Нори

2. ОЦЕНКА СКОРОСТИ ВЕТРА

Оценку ветропотенциала региона стоит начать с рассмотрения розы ветров. Роза ветров, построенная по реальным данным наблюдений, позволяет по длине лучей построенного многоугольника выявить направление преобладающего ветра, со стороны которого чаще всего приходит воздушный поток в данную местность.

2.1 Роза ветров

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.

Роза ветров в выбранном поселке представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Роза ветров села Нори



Климат в поселке Нори субарктический континентальный с продолжительной суровой зимой и достаточно прохладным коротким летом. По его равнинной территории свободно продвигаются как холодные воздушные массы с севера, достигающие южных границ района, так и знойные ветры Средней Азии и Казахстана, проникающие далеко на север

Как видно из розы ветров, северный ветер в поселке дует практически всегда со средней скоростью 6 м/сек.

Данные о скорости ветра в выбранном поселке приведены в таблице 3.

Таблица 3. Данные о скорости ветра в поселке Нори

Расположение метеостанции	Среднегодовая скорость ветра, м/с	Средняя скорость ветра, м/с	Максимальная скорость ветра, м/с
		Зима	Весна	Лето	Осень
Нори, Ямальский район	6,0	6,3	6,1	5,7	5,8	36

2.2 Сила ветра по шкале Бофора

Сила ветра по шкале Бофора представлена в таблице 4.

Таблица 4. Шкала Бофора

Баллы	Характеристика силы ветра	Скорость ветра м/сек.	Скорость ветра км/час	Объективное проявление на суше
0	Штиль	0-0,2	0-0,7	Дым поднимается вертикально
1	Тихий	0,3-1,5	1,08-5,4	Дым начинает отклоняться от вертикального положения, флюгеры, даже самые чувствительные, не вращаются
2	Легкий	1,6-3,3	5,76-11,9	Движение ветра ощущается лицом, шелест листьев, приводятся в движение флюгеры, ветрогенераторы входят в рабочий режим
3	Слабый	3,4-5,4	12,24-19,4	Листья и самые тонкие ветки деревьев колышутся, развеваются флаги, установленные на высоте
4	Умеренный	5,5-7,9	19,8-28,4	Ветер поднимает пыль и мелкие бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев
5	Свежий	8-10,7	28,8-38,5	Качаются тонкие стволы деревьев диаметром 2 - 4 см, на морских волнах появляются гребешки, ветрогенераторы выходят на максимальную мощность
6	Сильный	10,8-13,8	38,88-49,9	Качаются толстые сучья деревьев диаметром 6 - 8 см, слышен шум ветра в телеграфных проводах
7	Крепкий	13,9-17,1	50,04-61,6	Качаются стволы деревьев в верхней их части, идти против ветра неприятно
8	Очень крепкий	17,2-20,7	61,92-74,5	Ветер ломает сухие сучья деревьев, идти против ветра очень трудно
9	Шторм	20,8-24,4	74,88-87,8	Небольшие повреждения; ветер срывает незакрепленные дымовые колпаки и ветхую черепицу
10	Сильный шторм	24,5-28,4	88,2 -102,2	Разрушения кровельных покрытий и неукрепленных конструкций, ослабленные деревья вырываются с корнем, автоматическое отключение ветрогенераторов
11	Жестокий шторм	24,5-32,6	102,6 -117,4	Большие разрушения на значительном пространстве
12	Ураган	32,7 и более	117,7 и более

2.3 Оценка скорости ветра села Нори

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:

где:

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

- запланированная высота (м);

- определяемая скорость ветра (м/с);

- эмпирический показатель степени 0.3.

На основании таблиц этого можно сделать вывод о том, что ветер на высоте 18 метров имеет скорость 7,16 м/с, что по шкале Бофора относится к «умеренному». Строительство ветроэнергетической станции возможно.

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.



3. ВЫБОР ГЕНЕРАТОРА

По количеству потребляемой энергии поселка и скорости ветра выберем ветрогенератор FD 20.

Рисунок 3. Внешний вид ветрогенератора FD 20

Внешний вид генератора показан на рисунке 3, а его технические параметры представлены в таблице 4.

Таблица 4. Технические параметры ветрогенератора FD 20

Диаметр ветроколеса, м	10
Количество лопастей	3
Материал лопасти	Армированное стекловолокно
Длина лопасти, м	5
Направление вращения	По часовой стрелке
Номинальное число оборотов, об/мин	200
Номинальная скорость ветра, м/с	10
Тип генератора	Трехфазный на постоянных магнитах
Номинальная мощность, Вт	20000
Максимальная мощность, Вт	25000
Выходное напряжение, В	240
Начальная скорость ветра	3
Рабочая скорость ветра, м/с	3-25
Максимальная скорость ветра, м/с	45
Высота мачты, м	18
Полная масса, кг	1350
Диаметр ротора, м	10

Стоимость ветрогенератора: 744 тыс. руб.

Зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра на рисунке 4.

Рисунок 4. График зависимости мощности ветрогенератора от скорости ветра

ветроэнергетический установка электроэнергия

Суточная выработка одного ветрогенератора при скорости ветра 7.16 м/с - 103,2 кВт•ч

Исходя из суточной выработки, принимаем окончательное количество ветрогенераторов 15.

В комплект ВЭУ входит: 3 армированные лопасти из стекловолокна, генератор, хвостовая лопасть и балка, обтекатель на носовую часть, крепежи для лопастей, тросы, крепеж крепления ветрогенератора на мачту (89 мм) с токосъемным подшипником, Контроллер TGWS200-240, Инвертор PI 20000 Вт (240В), аккумуляторы AGM 12v, 200Ач 40 шт., гидравлическая башня 18 м, инструкция по установке.

Выбор периферийного оборудования.

Выбор инвертора.

Рассчитаем максимальную пиковую мощность на ВЭС

n - количество домов; - пиковая мощность одного дома;

Пиковая мощность на 1 ветрогенератор:

m - количество ветрогенераторов

Выбираем Инвертор PI 20000 Вт (240В)

Выбор выпрямителя

Выбор выпрямителя осуществляется на основании максимальной мощности ветрогенератора. Максимальная мощность ветрогенератора: 25 кВт. Номинальная мощность 20 кВт

На основании данных приведенных выше выбираем выпрямитель мощностью 20 кВт с перегрузочной способностью 25 кВт

Выбор 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.

Выберем 40 аккумуляторов 12В 200 А•ч по рекомендации, указанной на сайте производителя ветрогенератора.



4.БЛОК СХЕМА ВЭУ

Рисунок 4 - Блок схема ВЭУ

1. Лопасти

2. Ротор

3. Направление вращения лопастей

4. Демпфер

5. Ведущая ось

6. Механизм вращения лопастей

7. Электрогенератор

8. Контроллер вращения

9. Анемоскоп и датчик ветра

10. Хвостовик Анемоскопа

11. Гондола

12. Ось электрогенератора

13. Механизм вращения турбины

14. Двигатель вращения

15. Мачта

Лопасти (1) "захватыватывают" набегающие потоки воздуга и соединяются с центральным валом, образуюя ротор (2); демпфер (4) смягчает вибрации; через ведущую ось (5) и механизм вращения лопастей (6), связанные с осью электрогенератора (12), происходит передача кинетической энергии, которую электрогенератор (7) преобразует в электрическую. Все это устанавливается в гондолу (11) закрепленную на мачте (15), гондола поворачивается за счет двигателя вращения(14) и механизма вращения турбины (13). Все системы контролируются и управляются с помощью удаленного контролера, анемоскоп и датчик ветра (9) и хвостовик анемоскопа позволяют отслеживать необходимые параметры установки.

На рисунке 5 изображена схема электроснабжения потребителей от ветрогенератора (с аккумуляторами).

Рисунок 5. Схема электроснабжения потребителей от ветрогенератора

Данная система состоит из: генераторов, контроллеров, аккумуляторов, апааратов защиты,коммутационных аппаратов и инверторов.

Схема предусматривает бесперебойное снабжение потребителя электроэнергией за счет наличия аккумуляторов (АКБ). Полученная энергия через контролер поступает на заряд АКБ. От АКБ напряжение поступает на инвертор, который преобразует постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В с частотой 50 Гц.

Стоимость ветряной электростанции (в комплекте)? 11,155 млн. руб.

5. РАСЧЕТ И ВЫБОР КАБЕЛЯ

Ток кабеля при максимальной мощности:

I = Рг/1,73*Uн =300000/(1,73*240) =722 А

Uн - номинальное напряжение ветрогенератора

Рг - необходимая мощность генератора

Fэ = I/J, где:

Fэ - экономическое сечение провода

J - предполагаемая плотность тока (3 А/мм)

Fэ =722/3=240 мм2

По конструктивным и расчётным таблицам выбираем силовой кабель с изоляцией жил из поливинилхлоридного пластиката; с медными жилами, прокладываемый в канале в земле, хладостойкий, 4 жилы сечением 60 мм2 каждая, напряжение до 380 В.

Кабель прокладывается от ветроэлектростанции до распределительной подстанции рассматриваемого поселка.

В подстанции предусмотрена система защиты, 7 автоматов защиты MS-495-100 на 100А и 1 автомат защиты MS-495-50 на 50А.

Для каждого дома предусмотрены стандартные автоматы защиты на 16 А.



6.РАСЧЕТ СРОКА ОКУПАЕМОСТИ

- срок окупаемости ВЭС ;

P - прибыль предприятия без вычета затрат на покупку ВЭС в год (рассчитывается как произведение стоимости кВт•ч энергии в рассматриваемом районе на годовое потребление);

Z - затраты вложенные на покупку ВЭС ;

- эксплуатационные издержки за весь срок службы (25%).

Стоимость электроэнергии в поселке сельского типа Ясный составляет 3 руб/кВт•ч

Мы видим, что срок окупаемости вложений в электростанцию составляет 6 лет, следовательно, покупка данной ВЭС является эффективной.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте был рассмотрен проект ветряной электростанции для села Нори в ЯНАО с целью снабжения необходимой энергией выбранного количества домов в данном регионе.

Были проведены расчёты:

- выбор необходимого генератора

- выбор кабеля

- расчёт срока окупаемости

Постройка ВЭС в данном районе является целесообразной.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Волков Д. А. «Расчет ветроэнергетической установки»;

Размещено на Allbest.ru