В работе рассматривается вопрос, связанный с моделированием работы гибридной ветровой энергетической установки (ВЭУ), с целью повышения эффективности работы этих энергетических установок. Сам процесс моделирования разделяется на две части: энергетическая модель и электрическая модель. В работе рассматривается энергетическая модель гибридной ВЭУ. Предложенный энергетический метод моделирования основывается на оценке диаметра ветроколеса, имеющего двойной энергетический коэффициент полезного действия. Такая оценка определяется связью ветровой энергии с выработкой электрической энергии генератором и индукционного тока, вырабатываемого катушкой. Выработка электрической энергии солнечными панелями, прикрепленными к мачте ВЭУ, увеличивает коэффициент полезного действия самой ВЭУ.
Ключевые слова: моделирование, гибридная энергоустановка, генератор, солнечная панель, выработка, энергетическая модель, электрическая модель.
Введение. Тенденции развития электроэнергии в мире связаны с увеличением не только масштабов производства электроэнергии на традиционных крупных электростанциях, но и доли распределенной генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1, 2]. С другой стороны, учитывая не только нехватку ископаемого топлива, но и проблемы энергосбережения постоянно развивающейся промышленности и технологий, приводящие к существенному увеличению расходов электроэнергии, предприятия вынуждены искать пути снижения энергопотребления, увеличивать энергоэффективность отдельных производств и повышать экологическую осведомленность. При этом возобновляемые источники энергии становятся более важными, чем когда-либо. Сегодня очень интенсивно развивается так называемая малая энергетика, или системы распределенной генерации, основанные на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) [3].
Системы распределенной генерации энергии (СРГЭ) — это гибридные системы энергоснабжения, объединенные из различных источников энергии, которые построены в непосредственной близости от потребителей и в максимально возможной степени учитывают их индивидуальные особенности с точки зрения мощности и профиля.
Этим и объясняется интенсивное развитие системы распределенной генерации энергии. Одним из основных устройств СРГЭ несомненно является ВЭУ. Поэтому в настоящее время с помощью ВЭУ можно внедрить энергетические решения для удаленных пунктов, вдали от основных распределительных линий и мест, где невозможно установить большие энергостанции из-за проблем с окружающей средой. Такое положение дел требует гибридизации используемых для энергостанции ВЭУ и оптимизации их конструкций. Все это связано с моделированием работы ВЭУ.
Целью работы является разработка математической модели работы гибридной энергетической ветровой установки.
Метод решения. Для достижения поставленной цели в первую очередь надо сконструировать гибридную ВЭУ, вырабатывающую электроэнергию. В работах [4, 5] предложена такая ВЭУ, у которой кроме магнитных лопастей на мачтах сконструированы солнечные фотопанели. Такая гибридная ВЭУ вырабатывает три типа тока: переменный ток i 1 из генератора, переменный индукционный ток i 2 и постоянный ток I из солнечной фотопанели (рис. 1). Преимуществом такой гибридной ВЭУ является эффективное использование ветровой энергии. Если подключить к аккумулятору балласт, то гибридная ВЭУ может работать в режиме когенерации.
Рис. 1. Гибридная ВЭУ: 1 ― магнитная лопасть; 2 ― индукционная катушка; 3 ― генератор; 4–5 ― солнечные фотопанели; 6 ― мачта ВЭУ; 7 ― коробка передач; 8 ― подшипник рыскания; 9 ― первичный вал; 10 ― муфта; 11 ― механический тормоз; 12 ― вал генератора; 13 ― крыльчатки; i 1 ― ток из генератора; i 2 ― ток из магнитной катушки; I ― ток из солнечной фотопанели
Предлагаемая модель состоит из двух частей:
— энергетическая модель;
— электрическая модель.
Энергетическая расчетная модель гибридной ВЭУ
Основой этой модели является определение формальной связи между энергией ветрового потока и выработкой электроэнергии генератором ВЭУ.
Модель расчета диаметра ветрогенератора
КПД (эффективность) ветроустановки — величина, показывающая, какую часть энергии ветра использует установка.
Например, если энергия ветра изначально была 100 %, а ветроустановка использовала только 40 %, потери в генераторе составили 15 % (т. е. КДП генератора составило 85 %), потери в электронном регуляторе на тепло составили еще 15 % (т. е. 85 %), далее потери в проводах 5 % и в инверторе 15 %, то общий КПД системы можно найти, перемножив все КПД всех приборов, участвующих в преобразовании энергии ветра в электрическую.
При определении потребной мощности воздушного потока (
С другой стороны, при известной скорости, мощность воздушного потока определяется зависимостью:
где:
Тогда мощность воздушного потока, ограниченная окружностью диаметром
Приравняв правые стороны уравнений (1) и (3), можно определить потребный диаметр воздушного потока:
Из:
Уравнение (4) будет энергетической моделью гибридной ВЭУ (рис. 1). С помощью этой модели далее можно определить диаметр ветроколеса (ВК) следующим образом:
Примеры расчетов диаметра ВК при различных мощностях ветрогенераторов и скоростях воздушного потока приведены в таблице 1. Показаны результаты эксперимента. Здесь не учтена выработка электроэнергии солнечных фотопанелей.
Таблица 1
Экспериментальные данные по расчету диаметра ВК
№ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м/с |
кВт |
м |
кВт |
м |
кВт |
М |
кВт |
м |
|
1 |
6 |
2 |
7,34 |
5 |
11,6 |
10 |
16,4 |
20 |
23,22 |
2 |
7 |
2 |
5,8 |
5 |
9,2 |
10 |
13 |
20 |
18,42 |
3 |
8 |
2 |
4,7 |
5 |
7,5 |
10 |
10,6 |
20 |
15 |
4 |
9 |
2 |
4 |
5 |
6,3 |
10 |
8,9 |
20 |
12,6 |
5 |
10 |
2 |
3,4 |
5 |
5,4 |
10 |
7,6 |
20 |
10,8 |
Модель расчета частоты вращения
Одной из главных задач при проектировании ВК является выбор быстроходности, которая имеет следующую зависимость от оборотов, диаметра и скорости потока:
где:
Скорость вращения ВК определяется из отношения окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.
На основе экспериментальных данных ветроколес при различных
Для ВК с быстроходностью
Примеры расчета
Таблица 2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кВт |
м/с |
м |
oб/мин |
кBт |
м/c |
м |
oб/мин |
кBт |
м/c |
м |
oб/мин |
2 |
6 |
7,3 |
78 |
5 |
6 |
11,6 |
49,4 |
10 |
6 |
16,4 |
35 |
2 |
7 |
5,8 |
115,3 |
5 |
7 |
9,2 |
72,7 |
10 |
7 |
13 |
51,4 |
2 |
8 |
4,7 |
160 |
5 |
8 |
7,54 |
101 |
10 |
8 |
10,66 |
71,7 |
Модель расчета индукционного тока
1. Выбираем катушку с магнитной лопастью с этими характеристиками:
где
2. По заданным характеристикам находим количество витков катушки:
3. Находим сопротивление провода, намотанного на катушку:
R = ρ

где ρ ― удельное сопротивление меди:
4. Находим электромагнитный поток Ф, возникающий при вращении магнитных лопастей:
здесь:
5.
6. Поставив все на свои места, получим:
7. Находим ЭДС индукции катушки:
8. С ЭДС индукции находим ток в проводе катушек:
Мы находили ток на катушке, когда магнитная лопасть вращалась со скоростью 5 м/с, выбирая размер ветроколеса и катушку.
9. Находим электрическую мощность индукционной катушки:

10. Далее находим электрическую мощность, вырабатываемую индукционной катушкой за 1 час:
Р будет дополнительной электрической мощностью гибридной ВЭУ.
Ток, выработанный солнечными панелями, прикрепленными на мачтах гибридной ветроэнергетической установки (рис. 1), рассчитывается по алгоритмической модели, описанной в работе [6].
Выводы . Гибридизация ВУЭ дает нам возможность повышать эффективность использования энергии ветрового потока. С другой стороны, эффективность ветрогенераторов определяется не только выработанной электрической энергией, но еще и простотой обслуживания самой установки. Надо отметить, что усложнение конструкции ВЭУ повышает себестоимость выработанной электрической энергии. В свою очередь это понижает эффективность работы ВЭУ. Приведенные энергетические расчетные модели дают нам возможность оптимизировать конструкции ВЭУ и оценить эффективность работы этой конструкции. Прикрепление солнечных фотопанелей на мачты ВЭУ не только увеличивает выработку электрической энергии установкой, но и может решить вопрос, связанный с использованием площади, выделенной для эксплуатации ВЭУ.
Литература:
- Арифжанов А. Ш., Захидов Р. А. Схемотехнические решения подключения автономных источников энергетики на базе возобновляемых источников энергии в общую распределительную сеть. — Ташкент, журнал «Проблемы информатики и энергетики». № 6, 2017. С. 47–58.
- Рустамов Н. Т., Бабахан Ш. А., Кибишов А. Т., Орысбаев С. А. Гибридизация ветровых энергетических установок. Киев, научный журнал «Архивариус». № 9(54), 2020. С. 20–24.
- Чиндяскин В. И., Гринько Д. В. Выбор оптимального решения для применения комбинированных установок на основе возобновляемых источников энергии // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014, № 1(45). С. 40–43.
- Рустамов Н. Т. О создании гибридных энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) // Вестник Национальной инженерной академии Республики Казахстан. — 2014. — № 4 (54 ) . — С. 114–116. — ISSN 1606-146Х.
- Бабахан Ш., Рустамов Н. Т. Повышение эффективности ветроустановок. — Ташкент, журнал «Проблемы информатики и энергетики». № 4, 2020. С. 59–65.
- Рустамов Н. Т., Бабахан Ш. А., Орысбаев С. А. Одностадийное электроснабжение на базе ВЭУ. Екатеринбург. Международный научно-исследовательский журнал, 2020, № 12 (102). С. 71–75, часть 1.