Особенности электроснабжения АЗС с использованием ветроэлектростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности электроснабжения АЗС с использованием ветроэлектростанции

Н.С. Жексембиева

Е.Т. Ербаев

Аннотации

В данной статье приведена особенность электроснабжения АЗС с использованием ветроэлектростанции (ВЭС). Указаны энергетические характеристики скорости и направления ветра, перспективы развития Казахстана по использованию энергии ветра. Аналитическим путем рассчитаны пульсации скорости, порывистость потока и энергия воздушного потока для правильного выбора места для установки ВЭС.

The feature of electro-supply of auto-feeding station with the use of wind-electric station is given in this article. Energetic characteristics of wind speed and direction and perspectives of Kazakhstan's development on wind energy use are shown. энергетический ветер скорость

В качестве источника электроснабжения для АЗС предусматривается установка ветроэлектростанции типа ВЭИ. Данная ветроустановка предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию с возможностью накопления её для дальнейшего использования. Установка рекомендуется для использования в регионах со среднегодовой скоростью ветра не менее 3,5 м/с, как в Казахстане, так и за его пределами. Установка представляет собой экологически чистый источник энергии.

Принцип действия установки основан на преобразовании вращательного движения виндроторов в электрическую энергию посредством генератора.

Установка состоит из следующих составных частей: основания с карданным валом и генератором, шести направляющих аппаратов, шести виндроторов, опор, упругих муфт, колпака, молниезащиты, электрического шкафа, распорок, талперов, щеток, тяг и аккумуляторов.

Основание состоит из каркаса, генератора, карданного вала, роликов и дверки. Каркас - представляет собой конструкцию цилиндрической формы с вершиной в форме усеченного конуса из листового и профильного стального проката. На днище основания на стойках расположены три ряда роликов для транспортировки генератора при монтаже и техническом обслуживании. Карданный вал состоит из вилок, крестовин с подшипниками и валов. Служит для передачи вращательного движения от виндроторов к генератору.

В верхней части основания на валу установлен тормозной шкив и ручной тормоз. Направляющий аппарат, в свою очередь, состоит из лопаток, дисков, вала, стоек, колец и уголков. Виндротор состоит из лопаток, дисков, вала, стоек и уголков. Опора состоит из корпуса радиально-упорного подшипника, манжет и крышки.

Муфта упругая состоит из двух полумуфт, упругого диска и пальцев с гайками. Служит для соединения валов виндроторов и обеспечения гибкости конструкции установки. Аккумулятор предназначен для накопления электрической энергии, вырабатываемой генератором.

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников, который при благоприятных условиях может быть широко использован в народном хозяйстве. Он возникает вследствие постоянного циркуляционного перемещения воздушных масс в атмосфере, вызванного неравномерным нагревом солнцем земной поверхности, а также благодаря силам инерции, образующимся при вращении Земли. Эти силы действуют на холодный воздух, движущийся вблизи поверхности по направлению к экватору, и стремятся закрутить его в западном направлении. В то же время, тяжелый воздух, движущийся в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсу, имеет тенденцию к повороту на восток. Эта циркуляция воздуха на большом пространстве вокруг зоны пониженного давления происходит в направлении, противоположном направлению движения часовой стрелки в северном полушарии, и по часовой стрелке - в южном. Так как ось Земли наклонена под углом 23,5 к плоскости её вращения вокруг Солнца, то сезонные изменения тепловой энергии, получаемой от Солнца, зависят от изменений в эти периоды скорости и направления ветра на данном участке земной поверхности.

Энергия, которая непрерывно поступает от Солнца и преобразуется в кинетическую энергию ветровых потоков на Земле, соответствует, по оценкам специалистов, суммарной мощности свыше 1011 ГВт. Что касается непосредственно Казахстана, то технически возможный к использованию энергетический потенциал ветра оценивается здесь в 3 миллиарда кВт*ч [1].

Вообще, территорию нашей республики, можно охарактеризовать как относительно богатую ветроэнергетическими ресурсами. Ветропотенциал Республики Казахстан практически в 100 раз превышает современное электропотребление. Расчёты показали, что на высоте 10 метров от поверхности земли, энергия, заключенная в 1 м 2 сечения воздушного потока, составляет порядка 4000 кВт*ч/ м 2 [2].

Основную часть территории Казахстана можно отнести к районам средней интенсивности ветра (среднегодовая скорость ветра от 3,5 до 6 м/с). Районы сильных ветров (6 м/с и выше) находятся на западе (плато Мангышлак) и на востоке страны (район Джунгарских ворот). На юге Казахстана (Алматинская область) расположены районы слабой интенсивности ветра (от 1,5 до 3,5 м/с).

Наиболее значительными являются ветроэнергетические ресурсы Джунгарских ворот (17000 кВт*ч/м 2). Из других перспективных районов можно отметить Ерментау - 3700 кВт*ч/м 2 (Акмолинская область), Форт-Шевченко - 4300 кВт*ч/ м 2 (Побережье Каспийского моря), Курдай - 4000 кВт*ч/ м 2 (Жамбыльская область), Уральск - 3800 кВт*ч/ м 2 (Западно-Казахстанская область) и некоторые другие.

Наиболее перспективным районом Казахстана по использованию энергии ветра, конечно же, является район Джунгарских ворот. Они представляют собой межгорную долину длиной 20 км и шириной 10-15 км. Сильные и продолжительные бури чаще всего наблюдаются здесь в холодные периоды года. Продолжительность отдельных бурь составляет 50-100 часов, достигая в отдельных случаях 250-300 часов. Максимальная скорость ветра составляет порядка 40-60 м/с [2].

Несмотря на это предполагаемое место установки ветростанции для электроснабжения, рассматриваемой АЗС находится в 10 км г. Уральска и также характеризуется значительными ветрами. Сильные и продолжительные ветры в этом районе чаще всего наблюдается здесь в холодные периоды года. Они представляют собой степную долину длиной около 25 км и шириною 7 км.

Важнейшей энергетической характеристикой ветра является его скорость. В силу ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности и количества тепловой энергии, поступающей на землю и др.), а также из-за влияния рельефных условий данной местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону. Направление вектора скорости измеряется в градусах или румбах и показывает его угловое положение относительно направления (обычно северного), принятого за начало отсчета.

Средняя скорость за выбранный промежуток времени t определяется отношением суммы измеренных значений мгновенной скорости к числу измерений:

(1)

Среднесуточную скорость находят делением, а 24 суммы среднечасовых скоростей , а среднегодовую - делением на 365 суммы всех за год.

Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев - по материалам анеморазведок [2].

Средние скорости ветра меняются в различное время суток, разные месяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, указывающий на общую тенденцию их изменения в указанные периоды, оценивающую макроструктуру воздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные об его интенсивности и микроструктура потока за относительно короткие интервалы времени являются важными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчётах на прочность агрегатов, при проектировании механизмов регулирования [3].

Пульсации скорости и, следовательно, энергия воздушного потока зависят от общего характера формирования структуры ветра и местных особенностей, в частности, ландшафтных и рельефных. Нередко на механическую прочность и вырабатываемую энергию влияет не столько общий уровень скорости потока, сколько его динамика и изменение скорости за короткие промежутки времени, т.е. ускорения потока, длительность порывов и их совпадение в различных точках поверхности, ометаемой ветроколесом, и, наконец, порывистость потока Кпор. Порывистость потока определяется как отношение максимально замеренной скорости к средней , за выбранный интервал времени (обычно, не более 2 минут):

(2)

Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние земной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а порывистость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой. Вертикальный профиль ветра можно описать зависимостью:

, (3)

где - скорость ветра, замеренная вблизи земли на высоте ;

- искомая скорость на высоте ;

- высота, на которой скорость ветра равна 0.

Направление ветра обычно имеет меньшее значение с точки зрения его использования. Однако в каждых ландшафтных условиях ветры разных направлений имеют неодинаковые порывистость и скорость. Их повторяемость определяют по розе ветров - графику, показывающему, какой процент общего времени года ветер имеет то или иное направление.

Энергия Е воздушного потока с поперечным сечением F в общем случае находится по формуле:

 (4)

Секундная масса m воздуха, протекающая со скоростью через это сечение, кг/с:

(5)

Подставляя (5) в (4) окончательно получим:

, (6)

где - плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м 3 (при t = 15С и р = 760 мм.рт.ст.).

Как видно из формулы (6) энергия ветра пропорциональна кубу его скорости, поэтому даже небольшое увеличение скорости приводит к значительному увеличению энергии. Так, возрастание скорости ветра в 2 раза сопровождается восьмикратным увеличением его энергии. Вот почему для правильного выбора места для установки ВЭС необходимо иметь достоверные данные о скорости и порывистости ветра.

Для оптимального выбора мощности и места установки ветроэлектростанции, необходимо, прежде всего, знать общий характер ветров данного региона.

Важнейшей задачей выбора места для ветроэлектростанции является выявление участков территории с максимально возможной продолжительностью энергоактивных (рабочих) скоростей. Для ВЭС типа ВЭИ это скорости, превышающие 3 м/с.

О перспективности участка территории для размещения автономной ВЭС нельзя судить лишь по одной какой-либо "приоритетной" характеристике ветрового режима. В качестве таковой часто используют либо средние значения скорости ветра, либо значения удельной мощности ветрового потока, которые лишь приближенно характеризуют уровень ветропотенциала.

Достаточно полно перспективность участка на местности можно оценить по следующим характеристикам ветрового режима:

ю среднемесячным и среднегодовым скоростям ветра;

ю суточному ходу ветра;

ю распределение (повторяемость) скорости ветра по градациям;

ю вертикальный профиль средней скорости ветра;

ю продолжительность периодов маловетреной погоды;

ю количество штилей;

ю наличие и продолжительность ураганных ветров.

Помимо характеристик ветрового режима, необходимо знать и поправочные коэффициенты, учитывающие изменение ветра по территории вследствие неоднородности подстилающей поверхности. Зная все приведенные выше характеристики и поправочные коэффициенты, можно определить удельную мощность ветрового потока - показатель теоретического потенциала энергии ветра, т.е. потенциала, рассчитываемого с учетом всего диапазона фактически наблюдаемых скоростей ветра [4].

Основными материалами для оценки энергетических ресурсов ветра являются результаты наблюдения гидрометеорологических станций, расположенных на территории Республики Казахстан.

Недостатком данных наблюдений за ветром является существенная их зависимость от степени защищенности метеостанции. Практически наблюдения за ветром на метеостанциях характеризуют условия ветрового режима на самой станции, а не того района, где предполагается устанавливать ВЭС. Поэтому принято во все данные гидрометеостанций ввести коэффициент 2,5, чтобы определить характеристики ветра в районе установки ветроэлектростанции [4].

Особенности электроснабжения АЗС с использованием ветроэлектростанции показывает, что для принятия решения об установке ВЭС требуется знание электрических нагрузок объекта электроснабжения, ветроэнергетических ресурсов в предполагаемом месте установки ВЭС, сопоставимости качества вырабатываемой энергии с запросами потребителей, возможности компенсации недостаточности ветровой энергии другими источниками.

Литература

1. Дукенбаев, К.Д. Энергетика Казахстана (технический аспект) / К.Д. Дукенбаев. - Алматы. - 2001 г. - С. 62-83

2. СНиП II - 12 - 77 "Защита от шума. Нормы проектирования".

3. Справочник по проектированию электроснабжения./ Под ред. Ю.Г. Барыбина: М. : Энергоатомиздат - 1990 г. С. 89-95.

4. Брылёва, В.А. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии / В.А. Брылёва, Л.Б. Воробьева. - Минск. - 1996 г. - С. 26-34

Размещено на Allbest.ru