ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8607| Title: | Дослідження перспективи будівництва вітроелектростанції в метеорологічних умовах Черкаської області |
| Authors: | Семко, Інга Борисівна Руденко, Анатолій Геннадійович |
| Keywords: | кліматичні умови Черкаської області;енергонезалежність;вітроелектростанція;відновлювані джерела енергії |
| Issue Date: | Dec-2022 |
| Abstract: | У роботі розглянуто можливості використання вітроенергетичних установок для електропостачання населених пунктів. У першому розділі виконано огляд вітрових електростанцій та визначено, що найбільш доцільною є схема електропостачання з паралельною роботою вітроелектростанції та централізованої електричної мережі. У другому розділі проведено дослідження кліматичних характеристик швидкості вітру в Черкаській області та обґрунтовано вибір місця будівництва ВЕС у районі с. Жовнине Золотоніського району, де спостерігаються сприятливі вітрові умови. У третьому розділі, з урахуванням погодних умов та рівня електроспоживання домогосподарств, обґрунтовано вибір вітрогенератора EDS W2000 фірми Enercon та виконано техніко-економічний розрахунок вартості встановлення вітрогенераторів, яка становить 127,9 млн грн. Отримані результати підтверджують доцільність використання вітрової енергетики для забезпечення електроенергією місцевих споживачів. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8607 |
| Appears in Collections: | 141 Електрична інженерія (Електротехнічні системи електроспоживання) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Руденко.pdf Restricted Access | 1.92 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИСТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА МАШИНОБУДУВАННЯ Кафедра електротехнічних систем «До захисту допущено» Зав. кафедри ЕТС __________ О.О. Ситник (підпис) (ініціали, прізвище) «___»___________2022 р. Кваліфікаційна робота на здобуття ступеня вищої освіти магістра на тему: «Дослідження перспективи будівництва вітроелектростанції в метеорологічних умовах Черкаської області» Виконав: здобувач вищої освіти _2_ курсу, групи ЕСЕ-002 Спеціальності: 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» (шифр і назва напряму підготовки, спеціальності) Руденко Анатолій Геннадійович ______________ (прізвище, ім’я, по-батькові здобувача вищої освіти ) (підпис) Науковий к.т.н., доцент Семко І.Б. ______________ керівник (вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали) (підпис) Нормоконтроль _к.т.н., доцент Ключка К.М.__ ______________ (вчені ступінь та звання, прізвище та ініціали) (підпис) Черкаси 2022 р. 3 РЕФЕРАТ По структурі робота складається зі вступу, трьох розділів основної частини та висновків основних результатів дослідження. Загальна кількість сторінок – 86, рисунків – 28, таблиць – 7, використаних літературних джерел – 30. Метою роботи є дослідження перспективи будівництва вітрової електростанції у метеорологічних умовах Черкаської області. Згідно до мети були поставлені для вирішення наступні завдання: 1. Виконати порівняльний аналіз вітрогенераторів, електричних схем станцій із генерації енергії з використанням вітроустановок. 2. Провести дослідження руху повітряних мас у Черкаській області та обґрунтувати доцільність будівництва вітроелектростанції. 3. Провести вибір основного електротехнічного обладнання вітроелектростанції. 4. Зробити техніко-економічний розрахунок будівництва вітроелектростанції. У першому розділі зроблено короткий огляд вітрових електростанцій. Встановлено, що для використання ВЕС з метою електропостачання населеного пункту доцільною є схема забезпечення електроенергією з централізованим електропостачанням, у випадку паралельної роботи традиційної електромережі з ВЕС. Другий розділ присвячений дослідженню кліматичних характеристик часового та просторового розподілу швидкості вітру в Черкаській області. Для будівництва вітроелектростанції обрано місцевість у районі с. Жовнине Золотоніського району, на якій завдяки троянді вітрів та Кременчуцького водосховища є найбільша постійна швидкість вітру до 5 м/с і вище. У третьому розділі виходячи із погодних умов с. Жовнине, Золотоніського району Черкаської області, для встановленої потужності споживання електричної енергії домоволодіннями місцевих мешканців, було 4 прийняте рішення для виробництва ЕЕ використовувати вітрогенератор EDS W2000 фірми Enercon, який має мінімальну початкову швидкість вітру 3 м/с, номінальну швидкість вітру 12 м/с, рівень напруги 6,3 або 11 кВ з частотою 50 Гц. Подібна конструкція вітрогенератора здатна виробляти більшу кількість енергії у широкому діапазоні швидкостей. Зроблено техніко- економічний розрахунок вартості установки вітрогенераторів, що складає 127,9 млн. грн. Ключові слова: вітроелектростанція, відновлювані джерела енергії, енергонезалежність, кліматичні умови Черкаської області. 5 ЗМІСТ ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ ................................................................................................................ 7 ВСТУП ..................................................................................................................... 8 РОЗДІЛ 1 КОРОТКИЙ ОГЛЯД ВІТРЯНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ ................. 11 1.1 Будова та принцип дії вітрових електростанцій ....................................... 11 1.2 Системи керування вітроелектростанціями .............................................. 24 1.3 Особливості генерації електричної енергії вітроелектростанціями ....... 27 1.4 Методика розрахунку основних показників роботи вітроелектричної установки ............................................................................................................ 30 1.5 Висновки до першого розділу .................................................................... 34 РОЗДІЛ 2 ДОСЛІДЖЕННЯ КЛІМАТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСОВОГО ТА ПРОСТОРОВОГО РОЗПОДІЛУ ШВИДКОСТІ ВІТРУ В ЧЕРКАСЬКІЙ ОБЛАСТІ ...................................................................................... 35 2.1 Аналіз кліматичних характеристик розподілу швидкості вітру в Україні .............................................................................................................................. 35 2.2 Аналіз швидкості вітру в Черкаській області та вибір місця розташування вітроелектростанції ................................................................... 39 2.3 Розрахунок вихідних даних для вибору вітроелектростанції ................. 45 2.4 Висновки до другого розділу ...................................................................... 49 РОЗДІЛ 3 ВИБІР ОСНОВНОГО ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ ВІТРОЕЛЕКТРОСТАЦІЇ. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ВПРОВАДЖЕННЯ ПРОЄКТА ............................................................................ 51 3.1 Розрахунок режиму та вимоги до вітроенергетичної установки ............ 51 3.2 Вибір типу вітроенергетичної установки .................................................. 54 3.4 Вибір конструкції сервоприводу ................................................................ 60 6 3.4 Принцип управління кутом нахилу лопаті ВЕУ та вибір контролера.... 62 3.5 Вибір стратегії управління вітроенергетичної установки ....................... 65 3.6 Розрахунок витрат на реалізацію проєкта ................................................. 69 3.7 Заходи, що забезпечують безпеку експлуатації вітроенергетичних установок............................................................................................................. 74 3.8 Висновки до третього розділу .................................................................... 81 ВИСНОВКИ ........................................................................................................... 82 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............................................................. 84 7 ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ ВДЕ – відновлювані джерела енергії ВЕС – вітроелектростанція ВЕУ – вітроенергетична установка ДЕС – дизельна електростанція ЕЕ – електрична енергія ККД – коефіцієнт корисної дії 8 ВСТУП Актуальність дослідження. Використання нетрадиційних джерел енергії у багатьох галузях промисловості дедалі більше привертає до себе увагу дослідників та інженерів-енергетиків. З кожним днем пропонується все більше напрямків шляхів розвитку енергетики та економіки в Україні [2]. Це насамперед взаємопов'язане зі зменшенням енергетичних природних ресурсів та необхідністю збільшувати охорону навколишнього середовища [3]. Основними корисними копалинами традиційних джерел енергії є вугілля, нафта і газ, але їх запаси не вічні, до того ж їх використання приносить досить велику шкоду, як навколишньому середовищу так і людині. Щоб зменшити шкоду від видобутку корисних копалин джерел енергії, останнім часом все більше наукових досліджень та інженерних розробок приділяється впровадженню та використанню альтернативних джерел енергії [8]. На відміну від звичайних джерел енергії, нетрадиційні джерела енергії є чистими, надійними та нескінченними за своєю природою. Погіршення стану навколишнього середовища, таке як його забруднення, глобальне потепління та викиди парникових газів, які викликані традиційними джерелами енергії та прискорюються в результаті постійно зростаючої промислової діяльності у всьому світі є проблемою усього людства [2, 3]. Енергія вітру є одним із перспективних, практично невичерпним енергетичним ресурсом, який використовується людьми для отримання енергії. Він також є одним із факторів, який практично щороку у багатьох точках світу викликає надзвичайні ситуації метеорологічного характеру. Масштабне дослідження вітрового потенціалу може дати багато відповідей на питання, які пов'язані з екологічною безпекою, охороною навколишнього середовища, а також електроенергетикою [8]. Вивчаючи коливання основних показників вітру в певних регіонах України, можна встановити тенденції цих 9 змін, що визначають майбутні перспективи розвитку використання вітрової енергії електроенергетичними установками. У країнах, що мають берегові лінії або межують з морями чи океанами – активно розвивається вітрова енергетика, а в країнах в яких кількість сонячних днів у році значно перевищує кількість похмурих днів – активно розвивається сонячна енергетика. Для метеорологічних умов України перспективними є обидва напрямки розвитку поновлюваної енергетики, причому слід відмітити, широко розповсюджена вітрова енергетика лише у південних областях, які знаходяться на березі Чорного та Азовського морів і автономній республіці Крим, що перебувають у тимчасовій окупації росії. Необхідно зазначити, що основними причинами, які затримують розвиток альтернативних джерел енергії в Україні є: складні погодні умови та зміна клімату по порах року; висока вартість обладнання для електростанцій, що використовують альтернативні джерела енергії; складнощі з інтеграцією альтернативних джерел енергії з існуючими енергомережами [8, 14]. Вітроенергетика, в якій джерелом енергії є вітер, має безперервний вектор свого розвитку, для її впровадження можна виділити наступні групи причин: 1) економічного характеру – високі ціни на вуглеводневу сировину тощо; 2) екологічного характеру – катастрофи на атомних станціях, виснаження природних ресурсів, негативний вплив на навколишнє середовище створення гідроелектростанцій тощо; 3) політичного характеру – прагнення енергонезалежності держав. Багатьом країнам надаються певні преференції, як виробникам поновлюваної енергії, також і споживачам вітроенергетики (податкові пільги, нижчі тарифи). Для України ці проблеми також актуальні. Тому актуальність теми кваліфікаційної роботи магістра, обумовлена необхідністю дослідної розробки вітрової електростанції у метеорологічних умовах Черкаської області з метою оцінки її техніко-економічних показників та перспективи будівництва. 10 Метою роботи є дослідження перспективи будівництва вітрової електростанції у метеорологічних умовах Черкаської області. Згідно до мети були поставлені для вирішення наступні завдання: 1. Виконати порівняльний аналіз вітрогенераторів, електричних схем станцій із генерації енергії з використанням вітроустановок. 2. Провести дослідження руху повітряних мас у Черкаській області та обґрунтувати доцільність будівництва вітроелектростанції. 3. Провести вибір основного електротехнічного обладнання вітроелектростанції. 4. Зробити техніко-економічний розрахунок будівництва вітроелектростанції. Предметом дослідження є відновлювальні джерела енергії. Об'єктом дослідження є вітрові електростанції. Методи дослідження. При вирішенні поставлених завдань використовувалися методи статистичної обробки інформації, методи емпіричного дослідження та моделювання. Науковою новизною в роботі є запропонована конструкція вітрової електростанції, що включає механічну частину, генераторне обладнання та інтелектуальну систему управління. Апробація роботи. Основні аспекти наукового дослідження магістерської роботи були обговорені на студентській науково-практичній конференції ЧДТУ, яка відбувалася 19-22 квітня 2022 р. 11 РОЗДІЛ 1 КОРОТКИЙ ОГЛЯД ВІТРЯНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ 1.1 Будова та принцип дії вітрових електростанцій Вітрогенератори – альтернативні джерела енергії майбутнього, що перетворюють кінетичну енергію вітру на електричну та відносяться до альтернативних джерел енергії [6]. Вітрогенератори можна розділити на дві категорії: промислові та для побутового використання. На відміну від традиційних джерел, вітрогенератори не забруднюють довкілля та дозволяють створювати стійкі альтернативні джерела енергії без витрат на паливо. Сучасні вітрогенератори звичайно, більш продуктивні ніж вітряки. Кількість електричної енергії, що виробляються ними, залежить від сили вітру і площі лопатей їх пропелерів. Особливо ефективними є вітрогенератори в прибережних районах великих водойм: озер, морів, океанів, де штилю практично не буває. В останні кілька років, через паливно-енергетичну кризу, що все більше загострюється, розвиток альтернативних джерел енергії і, зокрема, вітрогенераторів, отримав додатковий поштовх. Сучасне життя людини немислиме без електроенергії, навіть у віддалених від електропостачання районах. Вітряні виробники екологічно чистої енергії світла виконують роль альтернативних джерел [3]. Переваги використання вітряних турбін: − нескінченне джерело електричної енергії, яке відновлюється за своєю природою, тому що доки сонце світить, то і буде рух повітряних мас, які є основною силою, через яку електрична енергія виробляється; − виробництво енергії за допомогою повітряних мас є екологічно чистим процесом, який не завдає шкоди довкіллю; 12 − будівництво об'єктів вітроенергетики є короткостроковою подією, тому швидке встановлення вітрогенераторів зумовлює порівняно низьку вартість монтажних робіт порівняно з будівництвом інших об'єктів енергетики. До недоліків вітроенергетики можна віднести: − ефективність установок, що використовують енергію вітру у своїй роботі, яка залежить від географічного розташування, погодних умов, пори року та доби. Цей недолік визначає можливість використання вітрогенераторів у певному регіоні планети; − під час будівництва потужних електростанцій потрібні великі земельні ділянки, які мають бути виключені із загального банку земель. − потреба у значних початкових витратах, тобто стартового капіталу у галузь на початковому етапі розвитку та проектування; − потенційна небезпека для птахів та інших літаючих об’єктів. Наявність вищезазначених недоліків, які має вітрогенерація, неспроможні переважити переваги. Можна із впевненістю сказати, що така сфера виробництва енергії з вітру буде розвиватися у майбутньому. Найбільш економічно вигідним у наші дні вважається отримання електроенергії змінного або постійного струму використовуючи енергію вітру, після чого її використовують для споживачів, таких як нагрівачі гарячої води та електричне опалення будинків з автоматичними системами керування. Види вітрогенераторів [6]. Існує два різновиди вітрогенераторів: з горизонтальним та вертикальним розташуванням ротора. Перший тип є найпоширенішим. Він характеризується високою ефективністю (40…50%), але має підвищений рівень шуму та вібрації. Крім того, для його встановлення потрібний великий вільний простір (100 метрів) або висока щогла (6 метрів). Вітрогенератори з горизонтальною віссю [10]. За кількістю лопат вони можуть бути на одно-, дво-, трилопатні (рис. 1.1) і багатолопатеві. Перевагами вітрогенераторів з горизонтальною віссю полягають у більш 13 високій ефективності, недоліком є необхідність налаштування флюгера для постійного пошуку напрямку вітру. Крім того, при розвороті швидкість вітру зменшується, що знижує його ефективність. Рис. 1.1. Вітрогенератори з горизонтальною віссю Основна перевага однолопатевого вітрогенератора – високі частоти обертання. У них замість другої лопаті встановлений противантаж, що не впливає на опір руху повітря та дає можливість використовувати їх у вітрогенераторах із високими частотами обертання. Це дозволяє зменшити масу та габарити всієї установки. Дволопатеві ВЕУ мало чим відрізняються за потужністю з однолопатевими і розглядати їх більш докладно не має сенсу. Трилопатеві горизонтальні ВЕУ – є найпоширеніші на ринках збуту. Їхня потужність на виході може досягати семи мегават. Багатолопатеві установки з числом лопатей до п'яти десятків мають великий момент інерції, за рахунок чого при невеликих частотах обертання 14 розвивають великий крутний момент. Така перевага дозволяє використовувати установки для роботи водяних насосів, де вони і займають лідируючу позицію. Генератори з вертикальним ротором менш енергоефективні (ККД майже в 3 рази менший ніж у горизонтальних). До їх переваг належать простота монтажу та надійність конструкції (рис. 1.2). Рис. 1.2. Вітрогенератор з вертикальною віссю обертання Низький рівень шуму дозволяє встановлювати вертикальні генератори на дахах будинків та навіть на рівні землі. Ці ВЕУ не бояться обледеніння та ураганів. Вони працюють від слабкого вітру (від 1,0 до 2,0 м/с), у той час як горизонтальний вітрогенератор потребує повітряного потоку середньої сили (3,5 м/с і вище). Форми робочого колеса (ротора) вертикальної вітрової установки різноманітні. Роторні колеса вертикальних вітрогенераторів [19]. Завдяки невеликій частоті обертання ротора (до 200 об/хв), механічний ресурс таких установок значно перевищує показники горизонтальних вітрогенераторів. 15 При проектуванні звичайного вітрогенератора вибір потрібно починати з вітроенергетичної установки з вертикальною віссю обертання. Ротор Савоніуса для вертикального вітрогенератора є найпростішим [18]. У 1925 році Сігурд Савоніус почав виробляти турбіни, подібні до поперечних роторних турбін, які в 1924 році запантенували брати винахідники Вороніни. Ротор Вороніних-Савоніуса або для стислості ВС – це, як мінімум, два напівциліндри на вертикальній вісі обертання (рис. 1.3). Рис. 1.3. Ротор Савоніуса І який би напрям вітру не був, як би різко він не змінював своїх поривів, такий вітряк спокійно обертатиметься навколо своєї вісі, виробляючи енергію. Це єдина і головна перевага вертикального вітряка порівняно з горизонтальним. А головним його недоліком є низьке використання вітрової енергії. Пояснюється це тим, що лопаті-напівциліндри працюють тільки на чверть оберта, а решту кола обертання вони ніби гальмують своїм рухом швидкість обертання. Розрахунки показали, що при цьому використовується лише третина вітрової енергії. 16 Вертикальні вітрогенератори з ротором Дар'є (рис. 1.4). У 1931 році французький конструктор Жорж Дар'є (George Darrieus) запропонував свій варіант ротора, який має дві та більше плоских лопатей [19]. Рис. 1.4. Вертикальний вітрогенератор із ротором Дар'є Ротор Дар'є має два недоліка. Перший недолік полягає у обертанні вектора тяги лопаті, яка робить оберт щодо її фокусу, здійснюючи при цьому нерівні рухи, а рухи ривками. Другий недолік полягає у частому розриві стрічки, яка рветься через її вібрацію, а також сильний вереск і рев, який посилюється зі збільшенням кількості лопатей. Гелікоїдний ротор [19]. Ще один вид вітрогенератора з вертикальною віссю обертання з гелікоїдним ротором (рис. 1.5). Він здатний рівномірно обертатися завдяки закрутці лопатей. Перевага: зменшує навантаження на 17 підшипник і збільшує термін служби. Але через складну технологію занадто дорогий. Рис. 1.5. Гелікоїдний ротор Також існують вітрогенератори з багатолопатевим ротором. Це один із найефективніших типів із розряду вертикальних вітрогенераторів [28]. Вітрогенератори є промисловими, такі вітряні турбіни встановлюються державними або великими приватними енергетичними корпораціями для забезпечення електроенергією промислових об'єктів. Промислові вітряні турбіни є найбільшими і потужними на сьогоднішній день, потужність окремих вітрових турбін визначається в мегаватах, але такі вітряні турбіни не встановлюються по одному і створюють величезні вітряні парки в місцях, де вітер найбільше підходить для стабільного виробництва електроенергії, наприклад, на узбережжях або на відкритих пагорбах. Енергія від вітряних 18 турбін надходить безпосередньо в електричну мережу, а стабільність і швидкість генераторів забезпечуються різними механізмами, наприклад, шляхом регулювання кутів лопатей щодо вхідного потоку вітру, так що вітрове колесо обертається і, отже, працює генератор стабільно. Також існують і комерційні вітрогенератори, які встановлюють з метою продажу електроенергії або для забезпечення енергією різних виробництв у тих місцях, де не вистачає власних потужностей або відсутня електромережа зовсім. Такі вітроелектростанції теж складаються із множини вітрогенераторів різної потужності. Енергія від таких вітрогенераторів може надходити безпосередньо в електромережу, якщо вони виробляють стабільну змінну напругу 220/380 вольт або більше [9]. Також такі вітрогенератори використовуються для зарядження великого масиву акумуляторів з якого потім енергія перетворюється на змінну напругу і подається в загальну мережу. Існують і звичайні побутові вітроелектростанції малої потужності для приватного використання, для встановлення яких не потрібно жодних дозволів, якщо висота щогли не перевищує 25 метрів та вітрогенератор не є перешкодою для повітряних суден (літаків). Такі вітрогенератори низьковольтні та їхнє основне завдання заряджати акумулятори на напругу 12/24/48 вольт, а вже з акумуляторів знімається електрична енергія, яка перетворюється інверторними станціями на змінну напругу 220 В з частотою струму 50 Гц. ВЕУ невеликої потужності часто встановлюються для забезпечення енергією власних приватних будинків, дач, підсобних господарств або для живлення невеликих віддалених об'єктів. Існує три класи вітроелектрогенераторів, залежно від мети та умов їх експлуатації залежно від енергосистеми, до якої вони підключені, та способу керування [6]. Клас A включає автономні вітрогенератори з одним генератором, які не підключені до енергосистеми для паралельної роботи. Потужність таких вітротурбін використовується для освітлення, живлення маяків, зв'язку тощо і зазвичай не перевищує 5 кВт. Якщо енергія таких вітряних турбін 19 використовується для опалення, їхня потужність може досягати 20 кВт і більше. В автономних вітряних турбінах застосовуються різні типи електричних генераторів. Вартість таких вітрових турбін багато в чому залежить від вибору системи управління електрогенератором. Потреба якісної електричної енергії зі стабільними параметрами може бути досягнута за рахунок використання транзисторних або тиристорних перетворювачів (інверторів) з живленням від батарей. У деяких випадках можна отримати якісні параметри всієї виробленої ЕЕ, використовуючи або механічне керування лопатями вітрового колеса для стабілізації його швидкості або електричне керування. При електричному управлінні постійна швидкість вітроколеса забезпечується зміною електричного навантаження на виході генератора (з використанням баластного навантаження). При такому методі стабілізації швидкості енергія вітру використовується більш ефективно, оскільки лопаті вітроколеса працюють в оптимальному режимі, а використання сучасного електронного обладнання робить цей метод більш надійним та дешевшим ніж механічне управління. Вітрові турбіни класу B характеризуються приблизною пропорційністю потужності вітряних турбін та дизель-генераторів. Ця опція є спільною для локальних енергосистем у віддалених районах. У таких системах використання вітряних турбін заощаджує дизельне паливо. Управління генераторами та досягнення якості електроенергії, що виробляється вітрогенератором, можна отримати за допомогою тих самих засобів, що використовуються в системах класу А, однак для досягнення найбільшого ефекту можна використовувати інші рішення, засновані на використанні накопичення енергії системи (електричні батареї, водневі перетворювачі- батареї, гідроакумулюючі станції тощо) з відповідним керуванням вітряними турбінами, ДЕС та системами зберігання. Клас C ВЕУ підключена до системи набагато більшої потужності ніж сама вітрова турбіна, працює паралельно з цією енергосистемою та називається мережею. Це область системної вітроенергетики, тобто область 20 масштабного використання енергії вітру, яка за відповідного розвитку може вплинути на стан енергетичного балансу країни. Тут доцільно використовувати вітряні турбіни великої разової потужності (від 1 до 10 МВт), зібрані на ВЕС. Для вітрогенераторів цього класу всі проблеми загострюються, оскільки вітрогенератори цього класу мають великі геометричні розміри та масу, а отже, і навантажені режими роботи механічного обладнання. В цьому випадку енергія вітру використовується безпосередньо або повністю подається до енергосистеми. Згідно зі статистикою, основою сучасної вітроенергетики є вітряна турбіна класу С, яка працює паралельно з енергосистемою. Їхня частка потужності становить понад 95% від загальної встановленої потужності вітрогенераторів. За допомогою паралельної роботи з мережею виникає можливість підвищення потужності вітротурбінного агрегату, зменшення собівартості електроенергії, отримання достатньої якості електроенергії [19]. Принцип роботи побутової вітряної електростанції простий: потік повітря обертає лопаті ротора, встановлені на валу генератора і створює змінний струм у його обмотках. ЕЕ зберігається в батареях і при необхідності, споживається побутовими приладами. Звичайно, це спрощена схема домашнього вітряка, а у практичному плані його доповнюють пристрої, що виконують перетворення електроенергії. Відразу за генератором знаходиться контролер, який перетворює трифазний змінний струм на постійний і передає його на зарядку батарей. Більшість побутових приладів не можуть працювати від постійного струму, тому на акумуляторних батареях встановлюють інвертор. Він виконує зворотну операцію: перетворює постійний струм на змінну напругу 220 Вольт. Зрозуміло, що ці перетворення не проходять безвісти і займають досить пристойну частину від початкової енергії (15-20%). Якщо вітряк працює в парі з сонячною батареєю або іншим генератором енергії (бензин, дизель), ланцюг доповнюється автоматичним вимикачем (AVR). Коли основне джерело струму вимкнено, він активує режим очікування. Щоб отримати максимальну потужність, вітряна турбіна повинна розташовуватися 21 вздовж вітрового потоку. У найпростіших системах реалізовано принцип флюгера. Для цього на протилежному кінці генератора закріплено вертикальне лезо, яке повертає його до вітру. У більш потужних установках використовується двигун, який управляється датчиком напрямку [12]. Пристрій та конструкції вітрогенераторів. Зовні вітрова електростанція виглядає досить просто: на верхній частині високої будівельної конструкції закріплено закритий об'ємний простір (гондола), що повертається. З неї виходить вал, на якому закріплено вітроколесо з лопатями. Лопаті горизонтального вітрогенетарора зовні схожі на лопаті побутових вентиляторів, але значно більшого розміру. Усередині гондоли «заховано» інше обладнання вітрогенератора: привод генератора, система керування та допоміжне обладнання електроприводу. Є вертикальні вітряки, що використовують також підйомну силу, наприклад, «Ротор Дар'є» та інші ортогональні вітрогенератори [19]. Якщо порівнювати два найпоширеніших типи вітрогенераторів між собою, то виходить що вертикальний кращий, так як його лопаті здатні швидше обертатися при тому самому вітрі, а значить він більш продуктивний і при інших рівних вихідних параметрах це дозволяє знизити габаритні розміри. Конкуренцію горизонтальним вітрогенераторам при певних умовах створюють ортогональні вітрогенератори. Порівняння вітрогенераторів з розмахом лопатей два метри кожне при 10 м/с показало наступний ККД лінії передачі «лопаті-вхідний вал електричного генератора» [6]: − у горизонтальних трилопатевих 40%; − у вертикальних 10-25% залежно від типу застосовуваного вітроколеса; − в ортогональних до 40%. Незважаючи на значні габарити вітрогенераторів, що застосовуються для побудови великих електростанцій, лопаті мають можливість повертатися на певний кут атаки вітру [10]. Ідеальною умовою роботи вітрогенератора з вітром при кутах від 0 до 360° але без обертання (виконувати маятникові 22 рухи). Тоді тривалість несприятливих умов значно знизиться. У місцях з постійним сильним вітром вал лопатей можна з'єднувати з валом генератора безпосередньо прямою передачею. Але в Україні таких сприятливих умов немає, тож застосовується редукторна передача. Для регулювання обертів генератора застосовують такі способи, причому використовуються вони разом: − зміна кута нахилу лопатей до набігаючого вітру, що дозволяє не тільки збільшувати оберти але і зменшувати їх; − використовувати гальмівний момент протиЕРС в обмотках генератора, яка залежить від струму, що протікає по обмотках, тобто навантаження на генератор; − спеціальна гальмівна система. Головною метою системи управління роботою вітрогенератора – це підтримання такої частоти обертання валу генератора при якій він виробляє напругу необхідного рівня з частотою 50 Гц [3]. Велика висота розташування гондоли щодо поверхні землі потрібна не просто через великий діаметр вітроколеса, а через більшу стабільність сили вітру у верхніх шарах атмосфери. Біля поверхні ґрунту вітер менш стабільний, розміри застосовуваних генераторів менші, вартість їх також менша. Тому для управління «побутовими» вітрогенераторами недоцільно використовувати складні, а отже, і більш дорогі системи управління, які б регулювали кути повороту та нахил лопатей. Шляхом вирішення даного питання є додавання до міні-електростанції акумуляторних батарей за аналогією з фотоелектростанціями, тільки у них акумулятори накопичують енергію вдень (при сонці) а віддають уночі, а у випадку ВЕУ накопичують ЕЕ при наявності руху повітряних мас, а віддають у безвітряну погоду. Для захисту від перевищення сили вітру застосовують переважно у вітроколесі електрогальмо [11]. До типової конструкції міні-вітроелектростанції (рис. 1.6) входять такі компоненти [10]: 23 - центральний контролер. Його функція керувати роботою мініелектростанції, розподіляти енергетичні потоки за напрямками та величиною (заряджати акумуляторну батарею, перемикати живлення споживачів між вітрогенератором та акумуляторною батареєю, контролювати силу вітру і при необхідності активувати гальмівну систему вітряка для його захисту при підвищених вітрах); - блок акумуляторних батарей. Можуть застосовуватись літій-іонні батареї, метало-полімерні та інші сучасні хімічні джерела струму; - перетворювач змінної напруги з генератора в стабілізовану постійну напругу 12/24 або 48 В для зарядження акумуляторних батарей; - силовий інвертор - перетворює постійну напругу 12/24 або 48 В (номінальна напруга акумуляторних батарей) в змінну напругу 220 В 50 Гц. Рис. 1.6. Конструкція вітрогенератора горизонтального типу з трилопатевим гвинтом Але можна обійтися і без інвертора, якщо всі споживачі розраховані на живлення низькою напругою. Наприклад, якщо масив АКБ на 12 вольт, то можна використовувати будь-які електроприлади на 12 вольт, автомобільні 24 зарядні пристрої, телевізори, світлодіодні стрічки та лампи на 12 вольт, авточайники, автохолодильники та багато іншого. 1.2 Системи керування вітроелектростанціями На рисунку 1.7 представлено типову схему виробництва та передачі ЕЕ від ВЕС до електромережі [16]. Рис. 1.7. Схема передачі ЕЕ від ВЕС до електромережі Схема нагадує звичайну систему електропостачання, в якій вітрогенератор виконує роль традиційних джерел електричної енергії (гідрогенератор, турбогенератор), які генерують ЕЕ в лінії електропередач. Електрична енергія від вітрогенератора надходить на мережевий інвертор, де перетворюються на необхідні споживачам 220/380 В 50 Гц. Для побутового використання потрібні невеликі електростанції, які можуть виробляти електричну енергію при невеликих швидкостях повітряних мас, що складає 3-4 м/с. Найбільш розповсюдженні ВЕС торгових марок SIEMENS та CONVERTEAM. Розглянуту схему можна назвати схемою з централізованим постачанням електричної енергії. Якщо об'єкт-споживач електроенергії, не підключений до єдиної енергосистеми, то найважливішим є питання безперебійності 25 електропостачання у час доби, року та за будь-якої погоди. Тут без накопичувачів енергії вже не обійтися, причому їхня потужність має бути достатньою для задоволення попиту. Але й цього часто виявляється недостатньо, коли через тривалу відсутність поповнення енергії від вітряка акумуляторні батареї встигають повністю розрядитися. У цьому випадку застосовують резервне живлення додаткового блоку акумуляторних батарей. Також можлива схема, за якої ВЕС працює лише на змінний заряд акумуляторних батарей (рис. 1.8). Рис. 1.8. Схема забезпечення ЕЕ без централізованого електропостачання Інша причина застосування міні-ВЕС навпаки пов'язана з резервуванням вже існуючої мережі електропостачання, наприклад при частому її порушенні (рис. 1.9). Схема електропостачання ускладнюється, тому що потрібний більш функціональний центральний контролер, силовий інвертор та головний додатковий компонент подібної системи – блок аварійного перемикання живлення (АВР). Швидкість перемикання видів електропостачання дуже висока та складає приблизно 4 мс, що позначається на побутових споживачах, тобто вони забезпечуються ЕЕ безперервно [16]. 26 Рис. 1.9. Схема забезпечення ЕЕ із централізованим електропостачанням Для резервування вітрогенератора замість об’єднаної енергетичної системи України, можна використовувати фотоелектростанцію або бензо- дизель генератор (або інше джерело ЕЕ) (рис. 1.10) Рис. 1.10. Схема забезпечення електроенергією із дизельгенератором Найбільш працездатною та оптимальною для споживачів ЕЕ (вони ж замовники міні-вітростанцій або вітропарків) є схема, яка представлена на рис 1.9, що відповідає спільній роботі ВЕС з єдиною енергосистемою. Переваги такої спільної роботи в тому, що об’єднана енергосистема не лише 27 продає споживачам електричну енергію, а й закуповує її у приватних виробників. Це дозволяє «приватникам» не тільки зекономити на електроенергії, а й за сприятливих умов заробити на цьому, або як мінімум скоротити свої витрати на придбання та введення в експлуатацію ВЕС. У розвинених країнах та в Україні така взаємодія регулюється на законодавчому рівні, що сприяє розвитку вітроенергетики [20]. 1.3 Особливості генерації електричної енергії вітроелектростанціями На відміну від базової системи електропостачання ОЕС України постійність руху повітряних мас (вітру), на відміну від постійності спалювання вуглеводнів або падіння води з верхнього барельєфу на нижній у гідроелектростанції, складні та важко прогнозовані події [14, 15]. Наприклад, на рис. 1.11 показана залежність кількості виробленої ЕЕ вітропарком потужністю 2400 МВт, що залежить від сили вітру в західній Данії [30]. Рис. 1.11. Графіки навантаження та генерації ВЕС загальною встановленою потужністю 200 МВт у західній частині Данії Основні проблеми вітроенергетики пов'язані з її основним джерелом енергії – вітром. Незважаючи на багаторічні спостереження, збір та обробка статистики, наявність метеостанцій, супутникового супроводу у вигляді фото 28 та відеозйомки процесів, що відбуваються у верхніх шарах атмосфери, вітер все одно є випадковою явищем, як за величинами напряму впливу так і за силою. Крім того, різні характеристики руху повітряних мас на рівнині, у гірській місцевості або над великими водними просторами. Для проєктування вітроелектростанцій дуже важливо мати максимально правдоподібну картину троянди вітрів. Для визначення кількості виробленої ЕЕ, потрібно знати конкретні числові значення вітрового напору та інших показників вітру. Отримати конкретні числові значення у конкретні часові відрізки завдання дуже складне. Необхідно мати достовірні статистичні дані та математичний апарат теорії ймовірностей, за допомогою якого можна прогнозувати поведінку вітру у певні періоди часу. Практика показує, що прогноз погоди (по суті і прогноз руху повітряних мас) все одно часто помиляється. Для підвищення точності прогнозування потрібно безперервно вносити нові дані про процеси, що відбуваються в атмосфері та на землі. Спростити прогнозування можна, прийнявши поведінку вітру не динамічним, а статичним процесом за певний період часу, найчастіше приймають за один календарний місяць [27]. Метеорологічним документом, де зберігаються результати обробки статистичних даних є вітроенергетичний кадастр. Це документ у якому можна знайти достовірну інформацію про вітер у тій чи іншій точці будівництва вітроелектростанції: енергетичні, температурні та аерологічні показники, які є вихідними даними для попередньої оцінки техніко- економічних показників роботи проектованої ВЕС. Для формування початкових даних використовують: − метеостанції. На метеостанціях можливий контроль найнеобхідніших для проєктування вітропарку вихідних даних. Проводяться багаторазові вимірювання не менше 3 разів за 24 години. Зберігаються дані за останні кілька років; − часові точки спостереження, які на кілька років встановлюються безпосередньо у точці будівництва; 29 − метеозони. Важливим параметром для оцінки коефіцієнта ККД проектованої вітроелектростанції є середня багаторічна швидкість вітру. Як випливає з назви даного параметра, для його отримання потрібні багаторічні спостереження, і чим більше років проводяться спостереження, тим точніше буде даний параметр. Але незважаючи на підвищення точності зі збільшенням кількості оброблених статистичних даних, середньорічна швидкість вітру залишається випадковою величиною із достовірністю, яка визначається математичним апаратом теорії ймовірності. В основному, з точки зору математики, всі параметри є середньоарифметичними значеннями того чи іншого показника. У країнах зі стабільним кліматом, у якому сила та напрям вітру більш-менш постійні, гарною похибкою вважається точність прогнозу параметрів вітру в 15%. До таких країн, зокрема, належить Данія та Голландія [26]. Але навіть у цих країнах досить часто спостерігаються відхилення від прогнозу на понад п'ятдесят відсотків. Це трапляється не дуже часто, але такі факти також наводяться у статистичних даних. Важливим параметром стабільності роботи ВЕС є повторюваність швидкості вітру. Під повторюваністю слід розуміти відсоток часу за певний період на якому вітер має ту ж саму швидкість. Зазвичай використовується невеликий проміжок часу (наприклад, добу) і щогодини контролюється сила вітру. Повторюваність понад п'ятдесят відсотків дозволяє говорити про високі енергетичні показники вітру в даній точці. Залежно від енергії вітру розглядається можливість будівництва ВЕС. Низький коефіцієнт корисної дії значно знижує рентабельність та окупність проєкту. Низька кількість переробленої енергії негативно позначається на кількості електроенергії, що виробляється за рахунок її якісних та кількісних характеристиках. Побудувати ВЕС, яка може окупитися хоча б за десять років, завдання дуже складне і вимагає дуже грамотного проєктування та вибору місця його розташування. 30 1.4 Методика розрахунку основних показників роботи вітроелектричної установки Ключовими особливостями вітрової енергії є непостійний характер виробництва ЕЕ та частотні характеристики [13]. Звідси виникають проблеми з подальшим використанням виробленої електроенергії – складанням графіків передачі та споживання енергії. Розглянемо методику розрахунку основних показників роботи ВЕУ. Кінетична енергія Р0, носієм якої є вітер вимірюється перед лопатями вітрогенератора 2 P m ⋅V 0 = 0 , 2 Масова витрата повітря m = ρ ⋅ A ⋅V0 , де ρ – густина повітряного потоку, що набігає на лопаті вітрогенератора; V0 – швидкість повітряного потоку, що набігає на лопаті вітрогенератора; A – площа, що омітається вітром. Для горизонтально-осьового вітрогенератора площа A розраховується за формулою π ⋅D2 A = л , 2 31 Для вітрогенератора з вертикальною віссю площа A розраховується за формулою A = Dл ⋅Ha , де Dл – діаметр вітроколеса. Для спрощення розрахунків приймається, що вітер впливає на лопаті вітрогенератора під прямим кутом. Потужність повітряного потоку N, який впливає на лопаті вітрогенератора визначається за виразом 3 N ρ ⋅V0 ⋅ A вітр. = , 2 Потужність N показує скільки кінетичної енергії запасено повітряним потоком. ВЕС може отримати з повітряного потоку лише частину кінетичної енергії, якою він володіє. Розмір цієї частини визначається коефіцієнтом корисної дії вітроустановки η N = вд. р , Nвітр. де Nвд. – потужність, що розвивається вітроколесом; Цей параметр називають коефіцієнтом використання енергії вітру. Таким чином, механічна потужність вітрогенератора визначається за виразом η р ⋅ ρ ⋅V 3 0 ⋅ A Nвд. = , 2 32 3 де ρ ⋅V0 ⋅ A – швидкісний тиск (натиск). 2 Практика показує, що співвідношення Nвд. менше Nвітр. максимального теоретичного значення 16/27 [28]. Коефіцієнт швидкостей X UR ω ⋅ r = = , V0 V0 де UR – швидкість руху лопаті у найбільш віддаленій точці від центру обертання; ω – кутова швидкість лопаті; r – радіус кола, яким рухається найбільш віддалена від центру обертання точка на лопаті. Коефіцієнтом крутного моменту Мкр, що розвивається вітрогенератором називають величину М Cм = кр , π ⋅R3 n ⋅ ρ ⋅ (V 2 0 2) Величини Cм та Cp пов’язані між собою залежністю Cp =Cм ⋅ X . Коефіцієнт осьового тиску B P ⋅ A = , ρ ⋅ (V 2 0 2) 33 де P – сила, з якою повітряний потік впливає на умовну площу, яку визначає діаметр вітроколеса. У знаменнику вище представленої формули знаходиться натиск, з яким набігаючий повітряний потік впливає на лопатеву систему. Залежність потужності вітрогенератора від швидкості вітру представлено на рис 1.12. Розрізняють три швидкості вітру: - мінімальна Vmin, м/с – швидкість вітру при якій вітроколесо переходить зі стану спокою в рухомий. У сучасних вітрогенераторів межа цієї швидкості розпочинається із 2,5 м/с; - максимальна Vmax, м/с – максимальна швидкість вітру, за якої виробник вітрогенератора гарантує його роботу без пошкоджень; - розрахункова Vроз, м/с – цю ж швидкість можна назвати робочою чи номінальною. При цій швидкості вітру вітрогенератор, встановлений починає виробляти номінальну кількість електричної енергії. Рис. 1.12. Залежність потужності вітродвигуна від швидкості вітру: 1 – Nвітр потужність вітрового потоку; 2 – Nвд потужність вітродвигуна, що регулюється поворотом лопаті; 3 – Nвд, потужність вітродвигуна, що регулюється за рахунок потоку вітру на лопаті 34 1.5 Висновки до першого розділу Поряд із сонячною енергетикою вітроенергетика є найпоширенішим видом альтернативної енергетики в Україні, що використовує відновлювані джерела енергії. В результаті дослідження встановлено, що використання енергії вітру для виробництва електричної енергії широко застосовується у південних регіонах України, але поряд з цим доцільно розглядати перспективи розвитку в інших областях з метою розповсюдження таких джерел розподіленої генерації. На території Україні економічно вигідно встановлювати ВЕС потужністю до 5 кВт (мала вітроенергетика). Регіони України зі складними погодними умовами потребують нових розробок вітрогенераторів, здатних працювати за таких умов. Основні труднощі пов'язані в основному з низькими температурами та шквальними вітрами. В обох випадках потрібна конструкція як механічної, так і електричної частин вітроелектростанції, що відрізняється надійністю в роботі за екстремальних умов. В першому розділі встановлено, що для використання ВЕС для електропостачання населеного пункту доцільною є схема забезпечення електроенергією з централізованим електропостачанням, коли традиційна електромережа працює паралельно з ВЕС. Також у цьому розділі, зроблено аналіз існуючих технічних рішень вітрогенераторів, які використовуються при виробництві електричної енергії. 35 РОЗДІЛ 2 ДОСЛІДЖЕННЯ КЛІМАТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСОВОГО ТА ПРОСТОРОВОГО РОЗПОДІЛУ ШВИДКОСТІ ВІТРУ В ЧЕРКАСЬКІЙ ОБЛАСТІ 2.1 Аналіз кліматичних характеристик розподілу швидкості вітру в Україні Основною характеристикою вітрового режиму є швидкість вітру, що визначається баричним градієнтом. В Україні протягом року чітко виражені послідовні зміни швидкості вітру У жовтні спостерігаються найбільші значення атмосферного тиску і починаючи з жовтня до квітня відбувається підсилення швидкості вітру [1, 14, 15]. Найбільша середньомісячна швидкість вітру спостерігається майже на усій території країни у лютому (55-60%), іноді цей максимум припадає на листопад, грудень та січень, (11-16%), а лише в деяких випадках - на квітень та березень (4-5%). Найменша швидкість вітру спостерігається влітку, коли територія України знаходиться під впливом Азовського антициклону, а циклонічна діяльність спадає. У липні та серпні на переважній частині території держави швидкість вітру зменшується до мінімальних значень [15]. Зміна швидкості вітру в окремі місяці незначна, винятком може бути територія Українських Карпат. Загальний характер збільшення швидкості вітрів (на півночі 3-4 м/с, південь 5-6 м/с) відзначається в напрямку з півночі на південь та обумовлено температурною неоднорідністю, а також сезонними циркуляційними процесами у поєднанні із особливостями місцевості. У холодний період року найбільші градієнти спостерігаються у південних областях, що виникають у результаті взаємодії Чорноморського узбережжя та областей підвищеного тиску, розташованих над північними районами. 36 Велика швидкість вітру на побережжі Чорного та Азовського морів зв'язана із наявністю великих водних широт. Різниця швидкості вітру між північними та південними областями у холодний період року сягає 3,5 м/с, влітку та восени вона зменшується і дорівнює 2,8 м/с, а весною - 2,3 м/с. Середня швидкість руху повітряних мас майже на всій території України за останні 20 років зменшилася на 15–37%. Вважають, що зменшення швидкості повітряних мас зв'язано із переходом у 1967 р. на періодичні спостереження. Крім того, у 1966–1972 pp. на метеорологічній мережі вимірювань швидкості та напряму руху повітряних мас здійснювалось за допомогою анеморубометрів, що усереднюють характеристики вітру за 10-хвилинний період, тоді як раніше, при вимірюваннях за допомогою флюгера, усереднення відповідало близько 2-х хвилинним періодом. Але на окремих станціях (Ужгород, Чернівці, Сімферополь, Вінниця, Чернігів, Житомир, Тернопіль, Дніпропетровськ) спостерігається збільшення швидкості руху повітряних мас, таким чином зменшення швидкості необхідно пояснювати не тільки суб'єктивними причинами, а і впливом змін динамічних макроциркуляційних процесів [15]. У [15] висвітлено, що періоди (зменшення або збільшення швидкості вітру) мають різну тривалість (від 5-14 р. до 19-24 р.). На окремих станціях вони не завжди збігаються. Дослідниками встановлено, що у східних та південних областях за останні 30 років (з 70-х років) спостерігається зниження середньої швидкості вітру. Найбільшу повторюваность (60-90%) має слабкий (0-1 м/с) та помірний (2-5 м/с) вітер, у горах в зимові місяці повторюваность такого вітру зменшується до 50-60%. Швидкість 5-9 м/с частіше спостерігається у холодний період року або у перехідні сезони. Вітер з швидкістю понад 10 м/с бував рідко, а у зимові місяці на більшій частині території України частота його становить 5-10%, у гірських районах вона зростає до 19-25 %, літом майже на всій території зменшується до 2-5%, горах – 12%. 37 Циклонічна діяльність в території Україні активно проявляється у зимово-весняний сезон, що призводить до сильних вітрів різних напрямків. Облік інформації кліматологічний стан вітрів великої швидкості важливо для багатьох галузей, наприклад, для вітроенергетики. У зв'язку зі зміною клімату, розпочнемо дослідження можливих змін вітрового режиму з аналізу просторового розподілу швидкостей вітру на території України за період, діючої до теперішнього часу кліматичної норми, з 1970 до 2000 р.р., тобто до початку збільшення температури в кліматичних зонах, що спостерігалося протягом останнього ХХ століття. Поля вітру, які побудовані за даними кліматичної норми представлені на рис. 2.1. Рис. 2.1. Просторовий розподіл середньомісячних швидкостей вітру для січня та квітня, побудований за даними 27- х метеостанцій (кліматична норма 1961-1990 рр.) Характерними особливостями розподілу швидкості вітру (рис. 2.1-2.2), незалежно від сезону: • наявність двох «зон» найбільших швидкостей вітру V = 3,5 м/с в східних Харківській та Донецькій областях та північно-західних регіонах (Луцька та Рівненська області), а також в Житомирській області. Відзначимо, що наявність зон значних швидкостей вітру в районах Луганської, 38 Харківської та Донецької області підтверджується аналогічними швидкостями вітру в прилеглих територіях російської федерації; Рис. 2.2. Просторовий розподіл середньомісячних швидкостей вітру для липня та жовтня, побудований за даними 27- х метеостанцій (кліматична норма 1961-1990 р.р.) • зони з великими швидкостями вітру, на заході і сході України, розділені впадиною, шириною в 300-400 км, з середньомісячними швидкостями не більше 2,4-3,2 м/с. Впадина, у вигляді спрямованої смуги, простягається від північного регіону України (Чернігівська область) до південного (Одеська область). Важливою характеристикою вітрового режиму є швидкість повітряних мас. Найбільша середньомісячна швидкість вітру спостерігається майже по усій території України у лютому (55-60 %), іноді цей максимум приводиться на листопад, грудень та січень (11-16 %) і лише в окремих випадках – на квітень, березень (5-6 %). Найменша швидкість вітру відмічається влітку. В серпні-липні на більшій частині території швидкість вітру падає до мінімальних значень. Змінюваність швидкості вітру за окремі місяці незначна, але винятком є територія Українських гір Карпат. Загальний характер збільшення швидкості вітру (на півдні до 5-6 м/с, на півночі до 3-4 м/с) відмічається з 39 півдня на північ і обумовлено температурною неоднорідністю, а також сезонними циркуляційними процесами у поєднанні з особливостями місцевості. Відмінність швидкості вітру між південними і північними районами у холодний період року сягає 3,6 м/с, влітку, а восени вона зменшується та дорівнює 3,0 м/с, а весною – 2,5 м/с. Середня швидкість вітру майже на всій території України за останні роки зменшилася на 15-36 %. Проте, на окремих станціях (Ужгород, Чернівці, Сімферополь, Чернігів, Житомир, Тернопіль, Вінниця, Дніпропетровськ) спостерігається збільшення швидкості вітру, тому зменшення швидкості вітру слід пояснювати не тільки суб'єктивними причинами, але і впливом змін динамічних мікро-циркуляційних процесів [14]. 2.2 Аналіз швидкості вітру в Черкаській області та вибір місця розташування вітроелектростанції Характеристика швидкості вітру в Черкаській області представлено у таблиці 2.1, а троянда вітрів на рис. 2.3 [1]. Таблиця 2.1 Дані про швидкість вітру в Черкаській області Середньорічна Середня швидкість вітру Розташування швидкість Максимальна метеостанції вітру (на (м/с) швидкість висоті 10м) Зима Весна Літо Осінь вітру (м/с) Канів 3,7 3,7 3,7 3,1 4,0 24 Золотоноша 2,9 2,9 3,1 2,8 2,8 25 Черкаси 4,0 4,2 4,3 3,6 4,1 29 Жашків 3,3 3,2 3,4 3,0 3,3 25 Звенигородка 3,3 3,5 3,4 2,9 3,3 26 Умань 3,0 3,0 3,4 2,8 2,9 24 Сміла 3,7 3,7 3,7 3,1 4,0 24 Чигирин 3,5 3,5 3,7 2,9 3,4 27 40 Рис. 2.3. Троянда вітрів у Черкаській області Для забезпечення початку роботи вітрогенератора потрібна сила вітру понад 3 м/с. У Черкаській області цій силі вітру задовольняють всі території районів [1]. Протяжність території та характер рельєфу викликають відмінності у швидкості та напрямку вітру. Протягом року відзначається переважно переважання південно-західних вітрів, північні від області – південних, на південному сході – південно-східних. У зимовий період найбільшу повторюваність мають вітри південних напрямів, у теплий період – вітри північних та північно-західних напрямків. Середньорічна швидкість вітру коливається в області від 3,4 до 4,9 м/с; на піднесених та відкритих ділянках, над водною поверхнею водойм вітри сильніші ніж на рівнинних ділянках та в низинах. Мінімальні швидкості вітру припадають на літній період (липень- серпень), максимальні – на зимово-весняний період (рідше на жовтень). Швидкість вітру змінюється протягом доби. У нічні та ранкові години вона 41 менша, у післяполудні (13-15 годин) – досягає максимуму. Над акваторіями водосховищ максимум швидкості вітру відзначається вночі, мінімум в денні. Амплітуда добових коливань їх у холодний період зазвичай перевищує 1 м/с, у теплий – 1,5-2 м/с. В окремі роки не виключена можливість виникнення вітру ураганної сили, коли його пориви можуть досягати 40 м/с і більше. Зимові бурани супроводжуються сильними снігопадами. При виході ярів у долину річки Дніпро утворюються звані «долинні вітри», швидкість яких також буває дуже високою. Влітку мають місце суховії, що виникають при вітрах східних та південно-східних напрямків. Найбільш часті та інтенсивні суховії спостерігаються у липні-серпні. Для них характерні високі температури та низька вологість повітря [1]. Швидкість вітру в Черкаській області у середньому становить від 3,2 м/с до 4,4 м/с. Ця величина вважається недостатньою для роботи вітроелектростанції, незважаючи на те, що вітряки при цьому будуть обертатися. Пориви вітру зазвичай не перевищують 18-20 м/с. Винятком є південні степові ділянки, де пориви вітру можуть сягати 40 м/с. Напрям вітрів через Черкаську область досить стабільний: - взимку це південні та південно-західні; - влітку – західні та північно-західні. Вплив вітрових установок на довкілля. Для встановлення одного потужного вітрогенератора необхідна невелика ділянка землі, яку можна використовувати надалі для розведення сільськогосподарських угідь, особливо часто це важливо для сільськогосподарських районів. Вітроелектростанції дуже зручно розміщувати у віддалених регіонах, які з певних причин досі не мають електричних ліній зв'язку з великими електростанціями. Недоліки вітроелектростанцій. Дуже важко зробити конкретні точні прогнози для визначення обсягів згенерованої електроенергії, цьому заважає різний напрямок і сила вітру, переважно це негативно позначається на великій генерації. 42 Вітрогенератори видають шум, а близьке розташування їх із населеними пунктами не бажано. Якщо повністю перейти на вітроелектростанції, то знадобляться тисячі вітрогенераторів. Вітрогенератори виготовляють із застосуванням різних хімічних сполук, а велике виробництво призведе до забруднення довкілля. Розглянемо недоліки при встановленні ВЕС на місцевості та її вплив на навколишнє середовище докладніше. Головним недоліком при встановленні вітропарку є шум, що створюється рухомими частинами при роботі, а також у результаті турбулентності повітря, що виникає під час роботи лопатей. Встановивши перші вітропарки, через деякий час почали надходити численні скарги від місцевого населення на шум. Після цього розпочалося інтенсивне вивчення вітрогенераторів на причину усунення проблеми сильного шуму. У таких країнах як Великобританія, Німеччина, Нідерланди та Данія до вирішення питань безпеки здоров'я підійшли на серйозному законодавчому рівні. Зокрема, зафіксовано такі показники безпеки: - нічний шум від вітроколеса не повинен перевищувати 35 дб; - денний шум від вітроколеса не повинен перевищувати 45 дб; - мінімальна відстань від території, де живуть чи працюють люди – щонайменше 300 м.; - вітроустановки повинні бути органічно вписані в навколишній ландшафт і не викликати негативних емоцій громадян за їх візуального сприйняття. Такі країни як Данія, Німеччина, Нідерланди навчилися ефективно використовувати площу, на якій розташовуються вітроустановки, залишок землі здається фермерам під оренду, що приносить додатковий дохід країні. Вплив вітропарків на довкілля є досить цікавим об'єктом дослідження для багатьох науковців та захисників навколишнього середовища. Дослідження свідчать, що цей вплив є надзвичайно малим. Взагалі про ці впливи можна судити стосовно ВЕС тварин, які їх оточують: За п'ять років 43 експлуатації Ботієвської ВЕС (с. Ботівка, Запорізька обл..) не було зафіксовано жодного випадку смерті птахів, ссавців або плазунів від впливу ВЕС. На станції живуть їжаки, зайці, собаки та кішки. Більше року на ВЕС жили, народжувалися та росли кролики [22]. Неодноразово помічалася схильність овець, які пасуться неподалік ховатися від вітру за спорудами ВЕС. Навесні на сонці гріються вужі та змії, які є істотами, найбільш чутливими до вібрацій та шумів. На практиці шкідливий вплив на екосистему не встановлений, а багаторічні спостереження вчених інституту продемонстрували, що вітротурбіни надають як непрямий, так і безпосередній вплив на екосистеми, що їх оточують. Як об'єкт вивчення було обрано індійський гірський масив Західні Гати, де є кілька великих вітропарків. Так, наприклад, професор Марія Фекер та її колеги виявили, що кількість птахів у зоні вітроелектростанцій знизилася вчетверо. «Ми спостерігали, як птахи підлітають до кордонів вітропарку та одразу відлітають», – каже професор. У результаті підніжжя вітротурбін надзвичайно розплодилися деякі види ящірок. Однак при цьому у самців, які приваблюють самок роздуванням червоного шкіряного мішка під горлом, колір цього мішка суттєво потьмянів у порівнянні з тим же видом ящірок, що живуть поза територією вітропарків. Дослідники вважають, що зникнення вищих хижаків, якими для ящірок були птахи, призвело до зниження конкуренції за самку всередині популяції та водночас збільшення цієї популяції. Таким чином, розширення площ, які займають вітроелектростанції, створює каскад екологічних наслідків. Фактично ВЕС витісняють зі своєї території вищих хижаків, розриваючи харчовий ланцюжок. У результаті ящірки, що розплодилися, починають масово винищувати комах, що робить негативний вплив на запилювану рослинність. І цей приклад не є поодиноким, упевнена професор Фекер. 44 Якщо розглянути кілька досліджень, проведених професорами, можна зробити висновок, що на кожній місцевості вплив вітроустановок різний і обумовлений багатьма індивідуальними факторами. Перед встановленням вітроелектростанції дуже важливо визначитися з місцем її розташування. Вибір місця розташування вітроелектростанції залежить від багатьох факторів, нехтувати якими не можна. Основним фактором при виборі розміщення вітроелектростанції є напрям вітру та його швидкість. Серед таких місць найсприятливішими місцями у Черкаській області є місця, розташовані на пагорбах, рівнинних ділянках та місця розташовані близько до узбережжя Кременчуцького водосховища, долин великих річок та водойм. Також при будівництві ВЕС варто уникати місць розташованих поряд із лісом, житловими будинками та виробничими приміщеннями. Вітроустановку варто розміщувати на певну відстань. Вітроустановки роблять досить сильний шум, який може заважати оточуючим [19]. Розглянемо територію Черкаської області у зоні яких переважають часті підвищені вітри. Часті вітри у Черкаській області можна спостерігати у Черкаському та Канівському районах. У Золотоніському районі на березі Кременчуцького водосховища швидкість вітру сягає 5 м/с і вище [8]. Якщо розглядати частину Кременчуцького водосховища, розташовану неподалік села Рацеве в Чигиринському районі, не доцільно так як в даній місцевості розташована сонячна електростанція. Вітер, що постійно направлений із Кременчуцького водосховища у бік села Жовнине (рис. 2.4), постійна швидкість вітру в селі до 5 м/с і вище. На 01.01.2001 року населення села Жовнине складає 5058 осіб. Якщо взяти значення швидкості вітру у звичайні дні отримані протягом тижня у селі Жовнино (таблиця 2.2), можна зробити висновок у тому, що середнє значення швидкості вітру сягає 5 м/с. 45 Рис. 2.4. Карта Черкаської області Таблиця 2.2 Середнє значення швидкості вітру в с. Жовнине День тижня Пн Вт Ср Чт Пт Сб Нд Сер.знач. м/с Вітер: швидкість, м/с 8 8 9 9 7 7 5 7,6 Пориви, м/с 15 16 15 17 14 12 12 14,6 Напрямок Пд-З Пн Пд-З Пн Пд -З Сх Пд-Сх 2.3 Розрахунок вихідних даних для вибору вітроелектростанції Виконаємо наближений розрахунок електричних навантажень с. Жовнино. Електричне навантаження об'єктів у цьому населеному пункті є в основному однофазним. Потужність кожного електроприймача незначна 46 (зазвичай не більше 2 кВт), у зв'язку з цим в електричній мережі при правильному згрупуванні приладів можна досягти рівномірного навантаження по фазах (з не симетрією не більше 5…10%) [13]. Характер навантаження рівномірний, без стрибків напруги та її значень залежно від часу доби, пори року та інших причин пов'язані з характером роботи об'єкта. Частота струму промислова, що дорівнює 50 Гц. Напруга мережі 380 і 220 В. Об'єкти належать до об'єктів ІІІ категорії з надійності електропостачання. Електроприймачі за режимом роботи поділяються на три основні режими роботи: тривалий режим, короткочасний режим та повторно короткочасний режим. Усі електроприймачі працюють у тривалому або короткочасному режимі. Щодо заходів безпеки всі електроустановки працюють з глухозаземленою нейтраллю [11]. Перелік обладнання кожного об'єкта представлено у таблиці 2.3 і 2.4. Для розрахунку приймаємо загальну активну потужність для одного типу електроприймача. Потужність (Рвст) вказана для одного електроприймача. Параметри cosφ, КВ визначені відповідно до таблиць [17]. Розрахунок запланованих навантажень. Сумарне енергоспоживання P∑н = Pн ⋅п, де Рн - споживана потужність електроприймача; n – кількість електроприймачів. Коефіцієнт потужностей η P = н.мах , Pн.тіп 47 де Рн.мах – максимальна потужність; Рн.тіп – мінімальна потужність. Коефіцієнт використання ∑P K с B = , ∑Pн Приймаємо коефіцієнт використання відповідно до таблиці 2.3. Таблиця 2.3 Значення коефіцієнтів використання побутових електроспоживачів Найменування споживача Коефіцієнт Коефіцієнт попиту використання КВ Кп Світильники з енергозберігаючими лампами Е27 0,8 0,8 Холодильник 0,8 1,0 Чайник 0,6 1,0 Конвектор електричний 0,7 0,5 РК телевізор 0,2 0,7 Мікрохвильова пічь 0,4 1,0 Плита двохкомфорочна 0,4 0,5 Споживана потужність визначається за виразом Pс = КВ ⋅∑Pн , Реактивна потужність визначається за виразом Qс = P ⋅ tgϕ, tgϕ приймаємо за довідковими даними залежно від соsφ. 48 Для знаходження ефективної кількості електричних приймачів скористаємося формулою 2 P ne = ∑ н , Pн.найб Знаючи nе та η по таблиці вибираємо коефіцієнт максимуму [17]. Тоді розрахункова споживана потужність електричних споживачів Pp =∑Pc ⋅ kм. Розрахункова реактивна потужність Qp =∑Pc ⋅ tgϕ. Для визначення повної розрахункової потужності електричних споживачів скористаємося виразом S p = P2 +Q2 p p . Знаючи номінальну напругу (0,22кВ) визначаємо розрахунковий струм S I p p = . 3 ⋅Uн Розрахунок здійснимо табличній формі (табл.. 2.4). 49 Таблиця 2.4 Укрупнений розрахунок електричних навантажень с. Жовнине № Встановлена Iр, А п/п потужність Розрахункове Кіл- Найменування наведена до навантаження сть електроприймача (ЕП) ПВ=100% cosφ/tgφ ЕП Одного Разом Рр, Qp, Sp, ЕП ЕП кВт квар кВА Одна група споживачів (умовно один будинок с. Жовнине) Світильники з 1 енергозберігаючими 10 20 200 0,95/0,33 0,128 0,042 0,135 0,61 лампами Е27 2 Холодильник 2 200 400 0,65/1,17 0,32 0,374 0,492 2,238 3 Чайник 1 1200 1200 1,0/0,0 0,72 0,0 0,72 3,273 4 Конвектор електричний 1 1000 1000 0,65/1,17 0,35 0 0,35 1,591 5 РК телевізор 1 150 150 0,9/0,484 0,021 0,01 0,023 0,106 6 Мікрохвильова пічь 1 2500 2500 0,65/1,17 0,06 0,07 0,092 5,348 7 Плита двохкомфорочна 1 3500 3500 1,0/0,0 0,7 0,0 0,7 3,182 Разом на 1 будинок 1,13 0,08 1,165 10,227 Загальне споживання (приблизно 3000 будинків) Разом на все село Жовнине 3393 240 3495 30681 Таким чином, номінальна потужність проєктованої вітроелектростанції становить 3,495 МВт. Попередньо, для задоволення потреб розрахованого навантаження, можна обрати два варіанти установки вітрогенераторів: 2 вітрогенератори по 2 МВт або 4 вітрогенератори по 1 МВт. 2.4 Висновки до другого розділу На території України у більшості регіонів середньорічна швидкість вітру складає від 3 до 7 м/с. Більш сильні вітри спостерігаються у прибережних південних районах України Чорного та Азовського морів. На 50 території Черкаської області для встановлення вітрогенераторів придатні практично всі райони. Для встановлення вітроелектростанції обрано місцевість у районі с. Жовнине Золотоніського району, на якій завдяки троянді вітрів та Кременчуцького водосховища є найбільша постійна швидкість вітру до 5 м/с і вище. У зимовий період напрям вітру переважно з південних напрямів, у теплий період – вітри північних та північно-західних напрямків. Також у районі цього населеного пункту є достатня незабудована територія, на якій можна розмістити вітроелектростанцію. Можливість розміщення вітрогенераторів на значній відстані від житлових будівель дозволить мінімізувати негативний вплив від вітрогенераторів, таких як шум та електромагнітне випромінювання. За допомогою спрощеного розрахунку електричних навантажень визначено номінальну потужність вітроелектростанції, що складає 3,495 МВт. Попередньо, для задоволення потреб даного навантаження, обрані два варіанти установки вітрогенераторів: 2 вітрогенератори по 2 МВт або 4 вітрогенератори по 1 МВт. 51 РОЗДІЛ 3 ВИБІР ОСНОВНОГО ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ ВІТРОЕЛЕКТРОСТАЦІЇ. ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ВПРОВАДЖЕННЯ ПРОЄКТА 3.1 Розрахунок режиму та вимоги до вітроенергетичної установки Технічні вимоги до вітроенергетичної установки [10, 19]: 1) ВЕУ має бути орієнтована за напрямом вітру за даними метеостанції проведеними у період червень-січень, яка встановлена на об'єкті (в с. Жовнине). За даними метеостанції напрям вітру південно-західний, -135 ± 35° [9]; 2) для виробництва електроенергії ВЕУ швидкість вітру має бути більше 2 м/с, але при швидкості понад 15 м/с агрегат повинен вимикатися; 3) не повинні перевищуватись допустимі норми шуму: вдень – 52 дБ, вночі – 44 дБ [10]; 4) потужність ВЕУ має відповідати необхідній потужності за результатами розрахунків. Для оцінки ресурсів використання енергії вітру визначимо потенціал вітру цього району. Методика визначення описана у джерелі [19]. Як інтегральну енергетичну характеристику вітру широко використовується питома потужність вітрового потоку (вітровий потенціал), що припадає на одиницю поперечного перерізу потоку. Теоретичний вітроенергетичний потенціал оцінюється за допомогою формули Рпит = 0,5 ⋅ ρ ⋅ (V 3) , ср де ρ – щільність повітря, що дорівнює 1,225 кг/м3 на рівні моря при атмосферному тиску 760 мм.рт.ст. та температурі 15°С; 52 (V 3) – середній куб швидкості. ср Середній куб швидкості може бути виражений через середню швидкість (V 3) =1,9(Vср )3. ср Підставивши отриманий вираз у формулу Рпит =1,9 ⋅ ρ ⋅ (Vср )3. Підставимо у формулу значення густини повітря. Отримуємо спрощену формулу Рпит =1,17 ⋅ (Vср )3. Зробимо розрахунок вітрового потенціалу за даними місцевої метеостанції встановленої на об'єкті Vср [19] і занесемо в таблицю 3.1. Таблиця 3.1 Потенціал вітрового потоку Проміжок часу Vср, м/с Po, Вт/м2 Січень 3,6 54,59 Лютий 3,5 50,16 Березень 3,3 42,05 Квітень 3,4 45,99 Травень 3,1 34,86 Червень 2,8 25,68 Липень 2,6 20,56 Серпень 2,8 25,68 Вересень 3,1 34,86 Жовтень 3,5 50,16 Листопад 3,7 59,26 Грудень 3,7 59,26 За рік 3,3 42,05 53 Побудуємо залежність вітрового потенціалу від часу, яка представлена на рисунку 3.1. Рис. 3.1. Графік залежності вітрового потенціалу від пори року За даним графіком можна дійти невтішного висновку, що використання вітроенергетичних ресурсів буде найвигідніше в зимово-весняний період. Для вибору ВЕУ визначимо потужність необхідну нам для живлення об'єкта за мінімального виробницства ВЕС. Вибір вітрогенератора необхідно проводити з урахуванням двох важливих параметрів: - ξ – коефіцієнт використання енергії вітру. Коефіцієнт використання енергії вітру залежить від виду вітроколеса та становить 35-40% для профільованого крильчатого пропелера. - ηген – ККД генератора, приблизно становить 80% [4]. Ці втрати вже закладені в паспортні дані вітрогенераторів. Таким чином, за наших вихідних даних підійдуть вітрогенератори із сумарною номінальною потужністю 4 кВт. Слід зазначити, що цей спосіб оцінки є орієнтовним з суб'єктивного вибору деяких даних. Тим не менш, при правильному визначенні вихідних даних він дозволяє підібрати вітрогенератор за номінальною потужністю, близькою до реальної та уникнути невиправданих витрат. 54 3.2 Вибір типу вітроенергетичної установки Структурна схема сучасного вітроагрегату загального призначення представлена рисунку 3.2 [4, 6]. Домінуючим конструктивним виконанням загального призначення є вітрова турбіна з горизонтальною віссю. Слід зазначити, що вихідна потужність за своєю суттю є нестійкою та некерованою. Типова вітряна турбіна складається з наступних підсистем (рис. 3.2): а) ротор турбіни та лопаті гвинта (рушійна сила); б) привод (вали, редуктор, муфти, механічний привод); в) електрична частина (кабелі, комутаційні апарати, трансформатори та силові електронні перетворювачі, споживачі); г) система керування. Вітер Генератор Мережа Редуктор Ротор турбіни Машинна Сторона сторона мережі Система перетворювача перетворювача управління Система управління Рис. 3.2. Структурна схема вітрової установки Ефективність взаємодії між кожним із вищезгаданих компонентів визначає, кількість отриманої кінетичної енергії з вітру. На рис. 3.3 представлено укрупнену структуру ВЕУ. 55 Рис. 3.3. Укрупнена структурна схема ВЕУ Критерії вибору вітрогенератора: 1) UВЕУ (Uмережі) – вихідна напруга генератора повинна дорівнювати напрузі мережі в якій буде інтегрована вітроелектростанція; 2) РВЕУ (Рмережі) – потужність вітрогенератора повинна відповідати необхідній потужності або бути трохи більшою за неї; 3) вітрогенератор повинен бути розрахований на мінімальну та максимальну силу вітру. На ринку України доступні до придбання та встановлення вітрогенератори наступних європейських виробників: - Vestas (Данія); - Enercon (Німеччина); - NEG Micon (Німеччина); - Nordex (Німеччина); - Bonus (Німеччина); - Lagerwey (Голландія) Головним критерієм мною було обрано початкову швидкість 3 м/с та потужність 2 МВт (це дешевше ніж використовувати 4 вітрогенератори по 1 МВт). Вибрала модель вітрогенератора EDS W2000 від компанії Enercon (Німеччина) (рис 3.4, таблиці 3.1 та 3.2) [25]. 56 Рис. 3.4. Загальний вигляд вітрогенератора EDS W2000 виробництва Enercon Таблиця 3.1 Коротка характеристика вітрогенератора EDS W2000 [25] Найменування Значення Діаметр вітроколеса 86,42 м Регулювання кута лопатей Автоматичне Номінальна швидкість вітру 12 м/с Номінальну напругу 6,3 або 11 кВ, 50 Гц Номінальна потужність 2000 кВт Генератор Синхронний, трифазний Номінальна швидкість обертання 300 об/хв Стартова швидкість вітру 3 м/с Висота щогли, що рекомендується 100 м Термін експлуатації 15 років Ціна за кВт, т. грн 27,62 Ціна за ВЕУ, т.грн 55259,75 57 Таблиця 3.2 Повна характеристика вітрогенератора EDS W2000 [25] Характеристика Величина 1 2 Тип, модель W2000 Початкова швидкість вітру 3 м/с Номінальна швидкість вітру 11 м/с Макс. експлуатаційна швидкість 25 м/с Інструкція розрахунку Germanischer Lloyd Тип, клас TC IA Строк служби 20 років Лопать ротора Довжина лопаті 45,3 м Діаметр цапфи ротора 2110 мм Кут стріловидності 0° Кут конусності 0° Матеріал епоксидний склопластик Громовідвід інтегрований Привод повороту лопатей ротора Макс. швидкість обертання 7 с-1 Тип підшипника лопаті дворядний кульковий Ротор Кількість лопатей ротора 3 Осьова лінія ротора горизонтальна Положення щодо вежі проти вітру Діаметр ротора 93,02 м Площа ротора 6793 м2 Діапазон числа обертів 11 – 18,1 об/хв. Номінальна кількість оборотів 15,7 об/хв. 58 Продовж. табл..3.2 1 2 Напрямок обертання (вигляд за вправо вітром) Спосіб регулювання потужності поворотом лопатей Кут конусності -2° Нахил осі ротора 4,5° Привод Номінальний момент 1120 kNm Тип приводу планетарна/циліндрична передача Передатні відношення 1 : 115 – 1 : 68 Мастило редуктора примусова циркуляція З'єднання редуктор/генератор еластична муфта Управління моментом електро-гідравлічний принцип Гальмівна система Робоче гальмо активний під час роботи Тип зубчасте зачеплення/серводвигун Механічне гальмо дискове Активація при зупинці Постачальник Svendborg Brakes Направляюча система Робоче гальмо активна Тип Підшипник ковзання Механічне гальмо серводвигун Активація 4 Постачальник тертям у підшипнику ковзання плюс гальмо двигуна 59 Продовж. табл..3.2 1 2 Генератор Модель генератора синхронний номінальна потужність 2000 кВт клас захисту IP54 Номінальна напруга 6,3 або 11 кВ Номінальна напруга-опціон. 0,69 – 11 кB cosφ стандарт 0,90ind – 0,95cap Корпус гондоли Тип конструкції закрита Матеріал поліефірна смола/скловолокно Система управління Тип PLC, вільно програмуємий Моніторинг через модем Вага Конструкція конічна труба із сталі Висота осі ротора 100 м Антикорозійний захист захисне фарбування Графік виробництва ЕЕ представлений на рис. 3.5. Рис. 3.5. Характеристики потужності залежно від сили вітру 60 3.4 Вибір конструкції сервоприводу Як було сказано раніше, основні функції управління – це оптимізація потужності в зоні 2 і обмеження потужності в зоні 3, останнє досягається зниженням швидкості або управлінням кутом нахилу ВК (вітрового колеса) (рис. 3.6). Для управління потужністю здійснимо створення виконавчих механізмів системи управління ВЕУ. Обмеження значення кута нахилу та його градієнта забезпечується сервоприводом. У зв'язку з цим, необхідно розробити модель, яка б імітувала роботу сервоприводу [18]. Рис.3.6. Енергетична характеристика ВЕУ Раніше, у середині минулого століття, у конструкціях лопатей для цих цілей використовувалася система противаги, яка забезпечувала поворот лопатей навколо своїх поздовжніх осей. Але в міру того, як турбіни збільшувалися у розмірах, а силова електроніка інтенсивно розвивалася ці механізми були замінені на електрогідравлічні або пневматичні сервоприводи. Висока гнучкість цих пристроїв підвищила якість і ефективність стратегій управління виробленої потужності [25]. Вище було сказано, що головним завданням управління вітряної турбіни є керування кутом нахилу вітроколеса. Для однозначного вибору способу підвищення якості регулювання положення кута нахилу ВК турбіни, поставимо запитання: «які можливі шляхи покращення характеристик 61 регулятора?» Істотного поліпшення характеристик регулятора слід очікувати, у тому числі, і за рахунок підвищення швидкодії сервоприводу, який виступає як виконавчий елемент глобальної системи управління потужністю турбіни [25]. У реальній системі максимальна швидкість поршня сервоприводу не збільшується, оскільки вона обмежена продуктивністю маслосистеми. Однак у процесах керування вона може підвищуватися до максимально можливої, що виражається у більш жорсткому та впевненому відпрацюванні сигналів управління: замість млявого «дотягування» сервоприводом до заданого положення спостерігається впевнене переміщення сервоприводу практично з максимальною швидкістю. Дослідження в цій галузі показують, що для збереження жорсткості позиціонування зі збільшенням підсилення необхідно пропорційно збільшувати витрату робочої рідини імпульсної лінії. На жаль, це спричиняє збільшення продуктивності маслосистеми, що робить такий шлях удосконалення системи регулювання практично неможливим. Однак в електрогідравлічній системі регулювання, де управління сервоприводом реалізується в електричній частині, зазначених обмежень немає, і це є практичною основою для реалізації електрогідравлічного сервоприводу як виконавчого механізму глобальної системи управління потужністю вітряної турбіни. Виходячи з вищесказаних міркувань, зробимо висновок, що якість управління положенням сервоприводу робить істотний внесок у характер роботи системи управління турбіною. Отже, контур управління положенням гідравлічного сервоприводу є відповідальною ланкою у всій системі керування. Сервопривод даної системи управління є нелінійним пристроєм, що здійснює поворот лопатей гвинта турбіни синхронно. У замкнутому контурі сервопривод може бути змодельований як динамічна система першого 62 порядку з насиченням амплітуди і похідною виходу [25]. На рис. 3.7 представлено структурну схему системи першого порядку. Динаміка цієї системи у лінійній частині описується диференціальним рівнянням вигляду dβ 1 = ⋅ β + βd , dt τ де β і βd – це дійсний та заданий кут нахилу відповідно; τ – постійна часу, що характеризує швидкодію сервоприводу. Рис. 3.7. Структурна схема сервоприводу 3.4 Принцип управління кутом нахилу лопаті ВЕУ та вибір контролера Робота ВЕУ розділяється на три зони, у яких мета управління концептуально різняться. У зоні 1 завдання управління зводититься до того, щоб впіймати мінімальний вітер, здатний подолати силу опору турбіни. Зону 2 можна назвати ділянкою розгону турбіни до робочих значень потужності ВЕУ. У цій зоні завдання керування зводиться до максимального використання сили вітру для виробництва електричної енергії. Інакше кажучи, ця ділянка потребує оптимального управління виробництва потужності ВЕУ. З цією метою використовуються різні сучасні методи 63 оптимального управління, такі як принцип максимуму Понтрягіна, принцип оптимальності (динамічний програмування Белмана), метод Гамільтона- Якобі класичного варіаційного обчислення тощо. У третій зоні швидкість обертання ротора, порівняно із попередньою зоною залишається незмінною. Що ж до зміни кута нахилу, то у цьому випадку процес має зворотний характер, тобто до цього кут нахилу розташовувався в оптимальному положенні (β=0°), а в третій зоні відбувається його зміна (рис. 3.8). На рис 3.9 представлено приклад зміни кута нахилу лопаті при змінній швидкості вітру. Рис. 3.8. Зони роботи ВЕУ та принцип зміни в них кута нахилу Рис. 3.9. Графік зміни кута нахилу лопаті при змінній швидкості вітру 64 Регулювання кута нахилу необхідне для: - підвищення коефіцієнта корисної дії у зоні 2, де величина кута атаки повинна бути оптимальною та близькою до нуля (β=0°); - обмеження вихідної номінальної потужності турбіни. При швидкості вітру вище номінальної кут нахилу регулюється за певним законом, впливаючи на аеродинамічну потужність та навантаження ротора; - обмеження рушійних сил, що впливають на конструкцію турбіни. Система управління має сильний вплив на навантаження, що зазнають турбіни. При проектуванні системи управління необхідно брати це до уваги, щоб бути впевненим, що вона не призведе до надмірних навантажень. Зазвичай для зміни кута нахилу користуються стандартними ПІ- і ПІД- законами регулювання. Розглянемо побудову таких контролерів для конструкції ВЕУ із двома вітроколесами. Дана установка має два виконавчі механізми із загальною системою управління, що отримують керуючий вплив від системи управління потужністю вітрогенератора. Основне завдання управління полягає в регулюванні потужності ВЕУ (рис. 3.10). Таким чином, помилка між значеннями вимірюваної та заданою потужністю генератора передається на ПІ-регулятор швидкості (рис. 3.11). Вихід з ПІ-регулятора використовується як опорний сигнал для виконавчого механізму, в даному випадку сервоприводу. Щоб отримати реалістичний результат роботи, в контур введені обмеження – максимальна швидкість зміни кута нахилу (±10 град/с) та максимальне положення кута (від 0 до 30 град). Таким чином, фактичне положення кута порівнюється із заданим і потім їхня помилка коригується сервоприводом. Загальний коефіцієнт підсилення контуру керування за швидкістю можна виразити як добуток коефіцієнта ПІ-регулятора на аеродинамічну чутливість. Аеродинамічна чутливість системи залежить від умов експлуатації (заданого значення потужності, швидкості вітру або кута нахилу). Чим 65 більша аеродинамічна чутливість системи (більший кут θ / більша швидкість вітру), тим меншим має бути коефіцієнт підсилення регулятора і навпаки. Рис. 3.10. Регулювання потужності турбіни Рис. 3.11. Структурна схема ПІ-контролера 3.5 Вибір стратегії управління вітроенергетичної установки Відомі дві стратегії управління (рис. 3.12) [22]: 1. Крива A-B-C-D. Сила вітру Vw<Vw.розрах. Режим виробництва максимальної кількості електричної енергії. Оптимальний режим роботи. Система керування оптимізує частоту обертання вітроколеса. 2. Крива D-E. Сила вітру Vw > Vw.розрах. Вітряний натиск перевищує розрахункову величину. Система управління регулює обсяг виробленої потужності. 66 Розглянемо стратегію управління ВЕУ для кожного відрізка характеристик, представлених на рис 3.12, a (ліворуч) та 3.12, б (праворуч). Рис. 3.12. Стандартні характеристики ВЕУ: а – Рмех=f(Vw), б – Рел=f(ng) Стратегія I1 (відрізок А-В): швидкість вітру настільки мала, що w ≤ wmin t t та n min g ≤ ng . Частота обертання, що задається вітряним колесом ВЕУ wref = wmin та та n = nmin t t g g . Коефіцієнт гальмування потоку (відносне зменшення набігаючого потоку вітру на вітряне колесо) розраховується наступним чином min λv w ⋅R w = t . vw Кожному значенню λvw відповідає оптимальний коефіцієнт використання потужності Ср та значення кута установки лопатей вітряного колеса ВЕУ. Потужність, яка видається ВЕУ Popt мех при wmin t . 1 Gopt 3 opt 5 p ⋅v ⋅ (wmin P v w t ) мех w = ⋅ ρ ⋅π ⋅R ⋅ 3 , 2 λ ⋅vw де ρ – густина повітря, R – радіус вітряного колеса. 67 Стратегія I2 (відрізок В-С): wmin < w спож min max t t ≤ wt ( ng < ng ≤ wg ): завдання системи управління ВЕУ полягає у забезпеченні Cmax p , які відповідають оптимальним значенням βорt та λорt . В результаті значення βорt підтримується постійними, а значення λорt (vw) змінюються таким чином, щоб значення wt відповідало заданому значенню wref λорt (vw) t vw = . R Тоді 1 Gopt ⋅v ⋅ (wref ⋅v )3 Popt мех vw = ⋅ ρ ⋅π ⋅R5 ⋅ p w t w . 2 λ3 opt Стратегія I3. (відрізок D-E): wref = wспож t t та P < Pспож задача системи управління аналогічна задачі для ділянки А-В; відрізняється тим, що λорt (vw) , Gopt p , vw , β opt спож орt , Pмех розподіляються при wt , що у свою чергу відповідає nспож g . vw = vw. розрах завдання системи управління ВЕУ полягає в обмеженні генерованої ВЕУ потужності Pref мех до Рспож за рахунок підтримки Рспож = Рref за допомогою об’єднаної енергетичної системи та системи регулювання кута установки лопатей вітроколеса. Кінематично з'єднати між собою вал вітрового колеса та вал електричного генератора можна декількома способами. Найпростіший спосіб з'єднати безпосередньо, без зміни кутових швидкостей обертання валів. У цьому випадку зазвичай потрібний вітер стабільно високої швидкості, щоб мати можливість розігнати вал генератора до певної частоти, яка часто називається як початок струмовіддачі [22]. Але в більшості випадків між 68 валом вітроколеса та валом електрогенератора встановлюється підвищуючий редуктор. В результаті вал генератора обертається набагато швидше за вал вітроколеса, що позитивно позначається на роботі генератора (на виробництві ним електроенергії). Важливим моментом у роботі вітрогенератора є момент торкання вітроколеса. Як у будь-якій механічній системі для подолання статичного моменту потрібно витратити більше зусилля для підтримки того чи іншого параметра в певному діапазоні. Отже, якщо мінімальна сила вітру, при якій вітроколесо обертається становить 3 м/с, до того щоб воно почало обертатися потрібно короткочасне збільшення сили вітру. Наприклад, це може бути порив вітру, що зрушить колесо з місця, а потім поступово колесо розжене до номінальних значень. Так як короткочасний порив вітру величина випадкова і його можна чекати дуже довго, то у більшості вітряків є своя «система пуску». Конструктивно це може бути електричний чи пневматичний привод. Електропривод краще, тому що він більш простий, виключає додаткові проміжні деталі. Потужність електроприводу може бути незначною, живитись від акумуляторної батареї або резервного живлення. Для підвищення потужності використовується редуктор з великим моментом. При виникненні необхідності захисту елементів конструкції вітряка від критичної сили вітру, коли він багаторазово виникає як частота обертання, а й різні сили (осьова, відцентрова та інші), використовується кілька способів це. Найпростіший за допомогою механічних гальм. Гальмо з електромагнітним керуванням. Гальмівний момент може бути магнітним, може бути механічним (гальмівний диск, гальмівні колодки). Більш складним є використання для гальмування безпосередньо електричного генератора, який на певних частотах гальмує роторні обмотки, при цьому працюючи в режимі рекуперації енергії [11]. Найскладнішим гальмуванням є переведення лопат вітроколеса у флюгерне положення. І тут у конструкцію вітряка повинні входити відповідні 69 можливості, тобто. має бути відповідний привод та система управління його роботою [22]. Вибір типу контролера. Контролер для вітрогенератора виконує відразу кілька функцій: контролює повороти лопатей, розподіл енергії, перетворює змінний струм на постійний та інші функції. Без застосування цього пристрою неможливе нормальне функціонування ВЕУ. Умови вибору вітрового контролера: Uконтр (UВЕУ) – вхідна напруга вітрового контролера повинна рівною або більшою за максимальну напругу, що видається ВЕУ (у тому числі напругою неробочого ходу вітрогенератора). Контролери для вітрогенераторів ніколи не відключають вітрогенератор і працюють за двома основними принципами. Контролери для потужних вітрогенераторів зазвичай мають великий баластний резистор. Вітрогенератор без навантаження залишати не можна у сильний вітер, без навантаження гвинт крутиться на дуже великих обертах, сильно шумітиме, і відчуватиме сильні вітрові навантаження, внаслідок цього вітрогенератор може просто не витримати і вийти з ладу. Так само без навантаження у вітрогенератора напруга може сягати великих значень, що може вивести з ладу контролер. У вибраному мною вітрогенераторі EDS W2000 контролер є вбудованим та входить до комплекту обладнання [25]. 3.6 Розрахунок витрат на реалізацію проєкта Приблизне споживання електроенергії с. Жовнине на рік на одного мешканця складає 640 кВт/год. Тоді сумарне споживання усіма мешканцями с. Жовнине складає 13031 640 = 8339840 кВт / год / рік. За вартості електроенергії в 1,44 грн. вартість оплати за електроенергію складає 12009369,6 грн. 70 Укрупнений розрахунок витрат на підключення до існуючих мереж Розрахунок вартості будівництва ПС 6,3/0,4 кВ «Жовнине-2». Розрахунок вартості будемо проводити згідно методики [2]. Вихідні дані для розрахунку: − розташування ПС – с. Жовнине, Золотоніський р-н, Черкаська. − рельєф майданчика ПС – рівнинний. − технічні показники підстанції 6/0,4 кВ − потужність – 4000 кВА − тип та кількість трансформаторів - ТМ-4000/10-У1, 2 шт. Розрахунок витрат за будівництво ПС «Жовнине-2» представлено у таблиці 3.3. Укрупнені вартісні показники ПС наведені за підстанцією загалом і за окремими основними елементами, до яких належать: розподільні пристрої та окремі комірки, трансформатори (автотрансформатори), постійна частина витрат. Таблиця 3.3 Розрахунок витрат на будівництво ПС «Жовнине-2» № п/п Складові витрат Кількість Розрахунок Розмір витрат, витрат т.грн 1 2 3 4 5 1 Установка одного 2 2х 1219,05 2438,1 силового трансформатора потужністю до 6,3 МВА 71 Продовж. табл.. 3.3 1 2 3 4 5 2 Постійна частина 1 274,67 274,67 витрат (благоустрій, огородження, додаткове обладнання) для ПС 3 Разом 2712,77 4 Вартість 1 1,165 х 1483,2 1727,93 будівництва ПС (з урахуванням витрат, що супроводжують будівництво 16,5%) 5 Разом 4440,7 Підсумкова вартість будівництва підстанції становитиме у цінах на 2022 рік. 4440,7 тис.грн. Складові вартості будівництва ПС становлять: − вартість обладнання ПС (у тому числі прилади обліку та вимірювання електроенергії), роз'єднувач на опорі; − вартість будівельно-монтажних робіт із врахуванням вартості матеріалу (будова фундаменту, опорних металоконструкцій, заземлення тощо); − вартість проєктних робіт; − вартість підготовки та благоустрою території, а також супутні витрати. Відповідно до розрахунків наведених вище, приблизна вартість робіт з будівництва підстанції на об'єкті «Жовнине-2» складе 4440,7 тис.грн. У цю вартість не включена вартість технологічного приєднання, а також вартість будівництва ПЛ 6 до об'єктів, а також інші супутні роботи. 72 Розрахунок вартості технологічного приєднання об'єктів дослідження. Згідно з рішенням НКРЕКП, плата на технологічне приєднання енергоприймальних пристроїв, віднесених до другої категорії надійності (по два джерела електропостачання), розраховується за формулою P = C1 ∙ N + k1 ∙ ΣiC2,i∙ L2,i + k2 ∙ ΣiC3,i ∙ L3,i + k3 ∙ ΣiC4,i ∙ N, де Ci – стандартизована тарифна ставка на покриття витрат при технологічному приєднанні за заходами, що не включають будівництво об'єктів електромережевого господарства, (грн. / кВт); C2,i – стандартизована тарифна ставка на покриття витрат мережевої організації на будівництво повітряних ліній електропередач на i-му рівні напруги, (грн. /км); C3,i – стандартизована тарифна ставка на покриття витрат мережевої організації на будівництво кабельних ліній електропередачі на i-му рівні напруги, (грн. /км); C4,i – стандартизована тарифна ставка на покриття витрат мережевої організації на будівництво підстанцій, (грн. / кВт); N – обсяг максимальної потужності, зазначений у заявці на технологічне приєднання заявником (кВт); k1 – сумарна довжина повітряних ліній на i-тому рівні напруги, будівництво яких передбачено згідно з виданими технічними умовами для технологічного приєднання заявника, (км); k2 – сумарна довжина кабельних ліній на i-тому рівні напруги, будівництво яких передбачено згідно з виданими технічними умовами для технологічного приєднання заявника, (км); k3 – індекси зміни кошторисної вартості за будівельно-монтажним роботам при повітряній прокладці кабелю з алюмінієвими жилами, підземній прокладці кабелю з алюмінієвими жилами, іншим об'єктам 73 відповідно для суб'єктів України, що передує кварталу за технологічне приєднання, враховано у повній вартості тарифної ставки. Розрахунок вартості технологічного підключення для об'єкта «Жовнине-2» згідно з вищенаведеною формулою, при врахуванні, що довжина лінії 0,4 кВ від найближчої підстанції становить 0,5 км, а заявлена максимальна потужність 4000 кВт Р = 116,54∙ 16 + 253424,57∙ 3,04 + 627,19∙ 16 = 782310,41 грн. Розрахунок вартості установки вітрогенераторів У вартість установки вітрогенераторів входить вартість робіт із встановлення (будівельно-монтажні роботи, електромонтажні роботи), а також вартість проєктних робіт. Відповідно до [3] дані роботи об'єднані в єдиний норматив. Максимальна вартість будівництва одного кіловату для проектів зі створення ВЕУ становить 3,37 тис. грн. Таким чином, вартість будівельних та проектних робіт становить 4000 * 3,37 = 13480 тис. грн. Економічні показники будівництва вітроелектростанції зведено до таблиці 3.4. Таблиця 3.4 Економічні показники будівництва вітроелектростанції № Найменування статті витрат Величина, тис. грн п/п 1 2 3 1 Вартість вітрогенераторів EDS W2000 (2 109185,01 одиниці) 2 Вартість будівництва ПС 6,3/0,4 кВ 4440,7 «Жовнине-2» 3 Вартість технологічного приєднання ПС 782,3 до електромереж 74 Продовж. табл.. 3.4 1 2 3 4 Вартість встановлення вітроелектро- 13480 станції (будівельно-монтажні, електромонтажні, проектно-вишукувальні роботи) Разом 127888 3.7 Заходи, що забезпечують безпеку експлуатації вітроенергетичних установок Загальні правила безпеки. До роботи з вітрогенератором допускається персонал, який вивчив інструкцію з експлуатації. Не допускається монтаж та обслуговування ВЕС у нетверезому стані. Під час підготовки вітрогенератора до роботи уважно вивчити інструкцію [25]. Вітрогенератор сконструйований так, щоб забезпечити безпеку за умови правильної експлуатації. Однак відповідальність за безпеку лежить на тих, хто виконує встановлення, експлуатацію та обслуговування вітрогенератора. При дотриманні описаних нижче заходів безпеки можливість нещасного випадку буде мінімальною. Перш ніж виконувати будь-яку процедуру або дію, користувач повинен переконатися, що вона є безпечною. Процес експлуатації вітроенергетичної установки потребує уважного та відповідального відношення. Пристрої, що входять до її складу, можуть представляти при неправильній експлуатації або у важких погодних умовах джерело підвищеної небезпеки. Загальні правила безпеки [6]: а) регулярно слід проводити технічне обслуговування обладнання; б) не потрібно намагатися виконувати ремонт чи обслуговування вітроенергетичної установки самостійно. Дані роботи має виконувати професійно навчений персонал або сервісна служба; 75 в) слід перевіряти стан основних вузлів обладнання при отриманні його в експлуатацію; г) не потрібно допускати до експлуатації вітроенергетичної установки осіб, що не отримали необхідний інструктаж; д) забороняється допускати дітей до компонентів вітроенергетичної установки, незалежно від стану системи; е) перед початком експлуатації необхідно ретельно оглянути вітрогенератор переконатися в надійності кріплення лопатей, щогли та всіх фланцевих з'єднань; ж) необхідно перевірити ізоляцію проводів на наявність пошкоджень; з) під час роботи вітрогенератора не допускається торкатися проводів та працюючої турбіні; і) запуск вітрогенератора повинен проводитись без підключеного навантаження; к) потужність встановленого навантаження має перевищувати потужність підключеного до системи інвертора. Вітрогенератор представляє особливу небезпеку при аномально сильних вітрах. Незважаючи на те, що таке явище відбувається дуже рідко, необхідно перед монтажем виділити зону відчуження для ВЕС. Зона відчуження – простір навколо електростанції до якого не слід допускати людей чи тварин під час роботи турбіни (особливо при сильних вітрах). Зона відчуження розраховується так: береться висота всієї конструкції ВЕС, і додається 15 метрів, ця довжина по радіусу навколо ВЕС і є зоною відчуження [6]. Техніка безпеки під час експлуатації вітрогенераторних установок пов'язана з такими небезпечними факторами: - протікання великого електричного струму; - обслуговування вітроелектростанції на висоті; - наявність обертових та рухомих частин; - статична електрика. 76 Для уникнення ураження електричним струмом потрібно обов'язково виконувати прості вимоги, викладені в Посібнику з експлуатації вітроустановок. Серед них: - використовувати проводи відповідного перерізу; - перевіряти якість заземлення; - не торкатися оголених проводів, якщо не впевнені, що вони не знаходяться під напругою; - перевіряти цілісність роз'ємів, проводів, ізоляції; - не працювати з вологими (мокрими) руками. Головну механічну небезпеку несуть лопаті вітроколеса, що обертаються з дуже високою кутовою швидкістю. У зв'язку з цим необхідно виключити можливий контакт вітроколеса з людиною. Другий момент спрямований на можливість завдати пошкодження вітроколесу під час його обслуговування. Забороняється зупиняти вітроколесо під час роботи турбіни. Не слід обслуговувати вітроколесо за наявності вітру, навіть незначного. Технічне обслуговування вітроустановки полягає у щорічній (1 раз на рік) перевірці опорних конструкцій, огляді лопат на наявність механічних пошкоджень (сколи, тріщини), перевірці електричної проводки. Безпечні умови експлуатації вітропарку. Вітрогенератор забезпечує номінальну потужність при температурі навколишнього середовища від -40 до +40ºс та висоті над рівнем моря до 1000 м, та відносної вологості повітря 98% (при t +25 ºС). При роботі агрегату на висоті понад 1000 м забезпечується 100% потужність: на висоті 2000 м до 90% від номінальної, на висоті 3000 м до 75% від номінальної [19]. Швидкість вітру в місці встановлення не повинна перевищувати 25 м/c, тому що при сильніших вітрах існує ймовірність руйнування електростанції. У разі, якщо в місці встановлення станції ґрунт не щільний або є ґрунтові води, без вжиття заходів щодо зміцнення фундаменту палями можливе руйнування станції. 77 Приміщення має бути сухим, електроустаткування має бути захищене від попадання вологи. Електроустаткування має знаходитися у приміщенні, недоступному для дітей та недієздатних осіб. Не потрібно розташовувати додаткове обладнання поблизу електричних обігрівачів, нагрівальних приладів та інших джерел тепла. Відстань від приладів до радіаторів опалення приладів повинна бути не менше 1 м. Слід захистити обладнання від прямих сонячних променів. Забороняється встановлювати не герметичні акумуляторні батареї в приміщеннях, призначених для тривалого перебування людей, а також у суміжних приміщеннях. Для вентиляції приміщення із негерметичною акумуляторною батареєю повинна бути встановлена витяжна вентиляція, яка забезпечує не менше ніж одноразовий обмін повітря на годину. Якщо природна вентиляція не може забезпечити необхідну кратність обміну повітря, слід застосовувати примусову витяжну вентиляцію. Для облаштування заземлення необхідно використовувати один із наступних заземлювачів: а) металевий стрижень діаметром не менше 15 мм, довжиною не менше 1500 мм; б) металеву трубу діаметром не менше 50 мм, довжиною не менше 1500 мм; в) лист оцинкованого заліза розміром не менше ніж 1000 х 1000 мм. Будь-який заземлювач має бути занурений у землю до постійно вологих шарів ґрунту, а на заземлювачах повинні бути обладнані затискачі або інші пристрої, що забезпечують надійне контактне з'єднання заземлення проводу із заземлювачем. Протилежний кінець проводу з'єднується з клемою заземлення генератора. Опір контуру заземлення має бути не менше 4 Ом, причому контур заземлення повинен розташовуватися у безпосередній близькості від генератора. При установці генератора на об'єктах, що не мають контуру заземлення, як заземлювачі можуть використовуватися 78 металеві труби системи водопостачання, каналізації або металеві каркаси будівель, що знаходяться у землі та мають з'єднання із землею. Категорично забороняється використовувати як заземлювачі трубопроводи горючих і вибухових газів та рідин. Перед запуском вітрогенератора необхідно пам'ятати, що сумарна потужність споживачів, що підключаються, не повинна перевищувати номінальну потужність інвертора, що підключається. Використання перевантаження може призвести до виходу інвертора з ладу. При підключенні до інвертора вітрогенератора різних типів навантаження необхідно виконувати наступне правило: спочатку підключається індуктивне навантаження з найбільшим пусковим струмом, далі з меншим, останнім – підключається споживач з найменшим значенням активного навантаження. Невиконання цих вимог може призвести до виходу інвертора з ладу та відмови сервісному гарантійному ремонті. Навантаження (електричні пристрої, що підключаються до вітрогенератора) поділяються на омічні (активні) та індуктивні (реактивні). До активних відносяться всі навантаження, у яких споживана енергія перетворюється на тепло (лампи розжарювання, праски). До реактивних навантажень належать усі споживачі, які мають електродвигун. При запуску електродвигуна короткочасно виникають пускові струми, величина яких залежить від конструкції двигуна та призначення електроінструменту. Величину пускових струмів, що виникають, необхідно враховувати при виборі генератора. Більшість електричних інструментів мають коефіцієнт пускового струму 2-3. Це означає, що при включенні таких споживачів потрібно інвертор, потужність якого в 2-3 рази вище потужності навантаження, що підключається. Найбільший коефіцієнт пускового струму 5-7 у споживачів, які не мають фази неробочого ходу (компресори, занурювальні насоси). Де б ви не розміщували свою систему, чим ближче ви до поверхні землі, тим менша швидкість вітру. Це результат дії сили тертя на земній 79 поверхні та існування перешкод на поверхні землі. Через ці перешкоди виникають турбулентності, які знижують ефективність будь-якої вітротурбіни. Тому розміщувати турбіну слід на майданчику, де для вітрів існує якнайменше перешкод. Тобто, найкраще розташувати вітроустановку на висоті. Енергія вітру – це кубічна функція швидкості вітру. Це означає, що незначні зміни швидкості вітру спричиняють суттєві зміни вихідної потужності. При подвоєнні швидкості вітру вихідна потужність зростає у кілька разів. Навіть незначна зміна має суттєві наслідки. Також слід враховувати характеристики ґрунту місця встановлення вітрогенератора. Пухкий піщаний ґрунт, неоднорідні ґрунти та ґрунти, що легко змінюються залежно від погодних умов, не підходять для встановлення вітрогенератора, якщо не вжити заходів щодо зміцнення фундаменту, наприклад сваями [13]. При виборі місця встановлення необхідно враховувати відстань між вітрогенератором та додатковим електрообладнанням. Чим коротша ця відстань, тим меншої довжини знадобиться кабель. У результаті буде менше втрат енергії під час передачі. Якщо ж ця відстань буде досить великою, краще використовувати для передачі кабель з великим поперечним перерізом. Установку вітрогенератора повинен проводити спеціально підготовлений персонал, дотримуючись усіх необхідних вимог безпеки під час проведення монтажних робіт. Роботи зі встановлення повинні проводитися в суху погоду, швидкість вітру не повинна перевищувати 2 м/с, всі роботи повинні бути припинені за швидкості вітру понад 2 м/с. Установка лопатей повинна проводитися при швидкості вітру не більше 2 метрів за секунду, всі роботи необхідно зупинити при швидкості вітру понад 2 метри за секунду. 80 Установка лопатей проводиться на ротор, встановлений на гондолі. Попередньо гондолу необхідно підняти краном на висоту, що забезпечує зручне положення ротора для монтажу лопат. Для підйому лопат використовувати підйомну техніку, закріплення на роторі здійснювати при піднятій гондолі. Установка лопатей проводиться за маркуванням зазначеної в паспорті на вітрогенератор. Необхідно суворо дотримуватись техніки безпеки при монтажі лопатей на ротор вітрогенератора. Кінці лопатей повинні бути закріплені тросом на «зашморг», щоб запобігти обертанню лопатей від вітру. Трос відтягується до однієї позиції, що допускає виробляти баланс для кріплення на ротор за допомогою робітників – монтажників, після встановлення лопаті на ротор та закріплення на ньому. Підйом гондоли з лопатями здійснювати акуратно, при цьому відтяжки від лопат знімати допускається після повного монтажу гондоли до верхнього фланця щогли. Електрична частина ВЕУ складається з блоків та елементів, що знаходяться в гондолі, у щиті керування та в безпосередній близькості від щита керування, а також сполучних контрольних та силових кабелів. Нижче поворотного пристрою розташований кільцевий струмоприймач у кожусі. Кільцевий струмознімач необхідний для запобігання закручування трьох кабелів, що виходять із гондоли, при її поворотах у напрямку вітру. Силовий чотирипровідний кабель генератора, тонкий двопровідний кабель- актуатор та двожильний екранований кабель датчик обертів. Усі жили і екран цих кабелів повинні бути роз'єднані до дев'яти клем струмознімачем. Від гондоли до внутрішніх клем струмознімач і від зовнішніх дев'яти клем на зниження за щоглою. 81 3.8 Висновки до третього розділу У третьому розділі виходячи із погодних умов с. Жовнине, Золотоніського району Черкаської області, для встановленої потужності споживання електричної енергії домоволодіннями місцевих мешканців, мною було прийняте рішення для виробництва ЕЕ використовувати вітрогенератор EDS W2000 фірми Enercon, який має мінімальну початкову швидкість вітру 3 м/с, номінальну швидкість вітру 12 м/с, рівень напруги 6,3 або 11 кВ з частотою 50 Гц. Подібна конструкція вітрогенератора здатна виробляти більшу кількість енергії у широкому діапазоні швидкостей. Для управління вітрогенератором запропоновано систему управління, яка побудована на класичних методах управління – ПІ- та ПІД- законах. Такі системи управління знаходять широке застосування у вітроенергетиці, тому що вони безпечні та ефективні. Система управління, що використовується, забезпечує стійку роботу при номінальній потужності навіть при різких підвищеннях або зниженнях швидкостей вітру. Це добре позначається на якості виробленої енергії, яка може бути використана локальними (місцевими) споживачами або віддана у загальну енергомережу. Таким чином, система управління обраної ВЕУ забезпечує реалізацію двох основних функцій управління: оптимізацію потужності в зоні 2 (розгін вітрогенератора від початку обертання до оптимальної сили вітру) та обмеження потужності в зоні 3 (швидкість вітру від оптимальної до критичної), останнє досягається зниженням швидкості або управлінням кутом нахилу вітроколеса. У зв’язку із високою вартістю акумуляторних батарей та значною необхідною площею для їх встановлення, планується встановлення вітроустановки без батарей, яка буде працювати паралельно із мережею ПАТ «Черкасиобленерго». У роботі зроблено техніко-економічний розрахунок вартості установки вітрогенераторів, що складає 127,9 млн. грн. 82 ВИСНОВКИ В Україні використання енергії вітру для виробництва електричної енергії широко застосовується у південних регіонах України, але поряд з цим перспективним є розвиток даного виду енергетики в інших областях з метою розповсюдження джерел розподіленої генерації. В результаті досліджень проведених у першому розділі встановлено, що для використання ВЕС з метою електропостачання населеного пункту доцільною є схема забезпечення електроенергією з централізованим електропостачанням, коли традиційна електромережа працює паралельно з ВЕС. Також у роботі на основі аналізу стану руху повітряних мас (вітру) встановлено, що на території України у більшості регіонів середньорічна швидкість вітру складає від 3 до 7 м/с. Більш сильні вітри спостерігаються у прибережних південних районах України Чорного та Азовського морів. На території Черкаської області для встановлення вітрогенераторів придатні практично всі райони. Для встановлення вітроелектростанції обрано місцевість у районі с. Жовнине Золотоніського району, на якій завдяки аналізу троянди вітрів та Кременчуцького водосховища є найбільша постійна швидкість вітру до 5 м/с і вище. У зимовий період напрям вітру переважно з південних напрямів, у теплий період – вітри північних та північно-західних напрямків. Також у районі цього населеного пункту є достатня незабудована територія, на якій можна розмістити вітроелектростанцію. Можливість розміщення вітрогенераторів на значній відстані від житлових будівель дозволить мінімізувати негативний вплив від вітрогенераторів, таких як шум та електромагнітне випромінювання. У третьому розділі виходячи із погодних умов с. Жовнине, Золотоніського району Черкаської області, для встановленої потужності споживання електричної енергії домоволодіннями місцевих мешканців, було прийняте рішення для виробництва ЕЕ використовувати вітрогенератор EDS 83 W2000 фірми Enercon, який має мінімальну початкову швидкість вітру 3 м/с, номінальну силу швидкість 12 м/с, рівень напруги 6,3 або 11 кВ з частотою 50 Гц. Подібна конструкція вітрогенератора здатна виробляти більшу кількість енергії у широкому діапазоні швидкостей. Для управління вітрогенератором запропоновано систему управління, яка побудована на класичних методах управління – ПІ- та ПІД- законах. Такі системи управління знаходять широке застосування у вітроенергетиці, тому що вони безпечні та ефективні. Система управління, що використовується, забезпечує стійку роботу при номінальній потужності навіть при різких підвищеннях або зниженнях швидкостей вітру. Це добре позначається на якості виробленої енергії, яка може бути використана локальними (місцевими) споживачами або віддана у загальну енергомережу. Таким чином, система управління обраної ВЕУ забезпечує реалізацію двох основних функцій управління: оптимізацію потужності в зоні 2 (розгін вітрогенератора від початку обертання до оптимальної сили вітру) та обмеження потужності в зоні 3 (швидкість вітру від оптимальної до критичної), останнє досягається зниженням швидкості або управлінням кутом нахилу вітроколеса. У зв’язку із високою вартістю акумуляторних батарей та значною необхідною площею для їх встановлення, планується встановлення вітроустановки без батарей, яка буде працювати паралельно із мережею ПАТ «Черкасиобленерго». У роботі зроблено техніко-економічний розрахунок вартості установки вітрогенераторів, що складає 127,9 млн. грн.. 84 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних джерел енергії України. − К.: ТОВ «ВіолаПрінт», 2008. – 55 с. 2. Безруких П.П. Використання енергії вітру. Техніка, економіка, екологія/П.П. Безруких. - М.: Колос, 2008. - 196 с.Чуєнко Р.М. Електричні машини: навчальний посібник / Р.М. Чуєнко. – К.: ЦП «Компрінт», 2015. – 436 с. 3. Безруких П.П. Вітроенергетика: довід. та метод. посіб.: / П.П. Безруких. - М.: ВД ЕНЕРГІЯ, 2010. - 320 с. 4. Бут Д. А. Безконтактні електричні машини/Д. А. Бут. - М.: Вищ.шк.,1990. - 416 с. 5. Васько В.П. Управління параметрами електроенергії автономних вітроелектричних установок/В.П. Васько // Технічна електродинаміка. – 2002. – Вип.1. - С.53 - 56. 6. Вітроелектричні станції/В.М. Андріанов, Д.М. Бистрицький, К.П. Вашкевич, В.Р.Секторов; за заг. ред. Андріанова В.М.; - М. -Л.: Держ. енерг. вид-во,1960. - 320 с. 7. Вітроенергетика / [за ред. Д. де Рензо]; [Пер. з англ. Зубарєва В.В. та Дранкфурта М.О.]; [Під. ред. Шефтера Я.І.] - М.: Вища школа, 1982. -272 с. 8. Вітроенергетика України. [Електронний ресурс] – режим доступу до даних: http://www.uwea. com.ua /ukraine_wind.php 9. Д. де Рензо. Вітроенергетика / [Під. ред. Я І. Шефтера] - М.: Вища школа, 1982. - 228 с. 10. Дзензерський В.А. Вітроустановки малої потужності/В.А. Дзензерський, С.В. Тарасов, І.Ю. Костюків. - К.: Наук. думка, 2011. - 592 с. 11. Електричні машини і трансформатори /підручник за заг. Ред. В. І. Мілих. – Х.: ХПІ, 2017. – 452 с. 85 12. Єлістратов В.В. Використання відновлюваної енергії/В.В. Єлістратів. Навч. посіб. - СПб. Вид-во Політехн. ун-ту, 2008. - 250 с. 13. Єлістратов В.В. Розрахунок фундаментів вітроенергетичних установок: навч. посіб. / В.В. Єлістратов, І.А. Костянтинов, О.М. Панфілів; Ч. 1. -К: Вид-во СПбДТУ, 2001.Забарний Г.М. Енергетичний потенціал нетрадиційних джерел енергії України / Г.М. Забарний, А. В. Щурчков// – К.: ІТТФ, 2002. - С. 151 -159. 14. Клімат України / За ред. В.М. Ліпінського. – К.: Видавництво Раєвського, 15. Майорова В.О. Особливості вітрового режиму на півдні України / В.О. Майорова / Магістерська кваліфікаційна робота.. Одеса.: Одеський державний екологічний університет, 2020. – 74 с. 16. Перспективы мировой ветроэнергетики. Доклад GWEC, Greenpeace International, DLR и Ecofys Cpnsultancy / [под ред. Crispin Aubrey, Angelika Pullen, Arthouros Zervos, Sven Teske], Berlin. 2007. – 31 c. 17. Руденко А.Г. Simulink-модель аналізу електромеханічних перехідних процесів системи електропостачання промислового підприємства / А.Г. Руденко, І.Б. Семко / Збірник тез доповідей студентської науково- практичної конференції ЧДТУ : 19–22 квітня 2022 р. [Електронний ресурс] / [упоряд. : Батраченко О. В., Бєляєва С. С., Захарова О. В. та ін.] ; М-во освіти і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2022. – С. 113. 18. Сайт дистриб'ютора технологій та обладнання для відновлюваної енергетики «Атмосфера» https://www.atmosfera.ua 19. Харітонов В.П. Автономні вітроелектричні установки/В.П. Харитонів. – М.: ДНУ ВІЕСХ, 2006. - 280 с. 20. Шефтер Я.І. Використання енергії вітру/Я.І. Шефтер. - М.: Вища школа, 1983. - 199 с. 21. Ярас А. Енергія вітру: Пров. з англ. / За ред. Я І. Шефтер. - М.: Світ, 1982. - 256 с.Airfoil Investigation Database [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://www.airfoildb.com/ 86 22. [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=naca4415-il 23. [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://en.wind- turbinemodels. com/turbines/26-tacke-tw-600 24. [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://m- selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html 25. [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://www.enercon.de 2003. – 343 с. 26. Betz, A. (1926), "Wind-Energie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen" Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen Ökobuch Verlag, Staufen (1994). 27. BP. Прогноз развития мировой энергетики до 2030 года [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://www.bp.com 28. Der Strommix in Deutschland im Jahr 2012. AGEB [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://www.unendlich-viel-energie.de 29. Größte Windkraftanlage der Welt – die E-126 [Електронний ресурс] – режим доступу до даних: http://www.energieblog24.de/e126/ 30. GWEC. Global Wind Report 2012126 [Електронний ресурс] − режим доступу до даних: http://www.gwec.net