WIND TURBINE BASED SINGLE-STAGE POWER SUPPLY

ОДНОСТАДИЙНОЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ НА БАЗЕ ВЭУ

Научная статья

Рустамов Н.Т.¹, Бабахан Ш.А.², Орысбаев С.А.^3, *

^{1, 2, 3} Международный казахско-турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави, Туркестан, Казахстан

* Корреспондирующий автор (sanat.01.08.96[at]mail.ru)

Аннотация

Рассмотрены вопросы создания гибридной системы электроснабжения на базе ветроэнергетической установки (ВЭУ) с магнитными лопастями. Предлагается метод гибридизации ВЭУ с использованием ее мачту. Такое использование осуществляется освобождением площади занимаемое солнечным панелям, и конструируя эти панели на мачтах ВЭУ, и достигается увеличение КПД использования энергии ветра. Приводится алгоритм расчета КПД использования энергии ветра для предложенной гибридной энергосистемы. Описывается конструкция гибридной ВЭУ для централизованных источников энергии. Показана эффективность такой гибридизации ВЭУ для использования энергии ветра и солнца. Такой подход к гибридизации использования альтернативных источников энергии облегчает управления ими за счет централизации источников энергии.

Ключевые слова: КПД энергии ветра, гибридизация, электроснабжения, индукционный ток, солнечная панель, магнитная лопасть.

WIND TURBINE BASED SINGLE-STAGE POWER SUPPLY

Research article

Rustamov N.T.¹, Babakhan Sh.A.², Orysbaev S.A.^3, *

^{1, 2, 3} Akhmet Yassawi International Kazakh-Turkish University, Turkestan, Kazakhstan

* Corresponding author (sanat.01.08.96[at]mail.ru)

Abstract

The article deals with the issue of creating a hybrid power supply system based on an electricity-generating wind turbine with magnetic blades. The study proposes a method of hybridization of wind turbines using its mast. This is carried out by freeing up the area occupied by solar panels and attaching these panels to the masts. Through this means, the turbine achieves an increase in the efficiency of wind energy usage.  The study provides an algorithm for calculating the efficiency of wind energy use for the proposed hybrid power system and describes the design of a hybrid wind turbine for a centralized power generation. The study demonstrates the efficiency of such hybridization of wind turbines for the use of wind and solar energy. This approach to hybridizing the use of alternative energy sources streamlines their management with the help of the centralization of energy sources.

Keywords: Wind energy efficiency, hybridization, power supply, induction current, solar panel, magnetic blade.

Введение

Особенностью работы любой электроэнергетической системы являются одностадийное производство и потребление электроэнергии. Это требует равенства энергии, вырабатываемой энергетическими установками, и энергии, потребляемой потребителями. Нарушение такого равенство приводит к изменению параметров сети по напряжению и частоте, а при больших отклонениях - к потере динамической стабильности и нарушению нормального функционирования системы [1].

Существует два возможных способа поддержания непрерывного во времени равенства генерируемой и потребляемой электроэнергии в системах электроснабжения на основе гибридной ВЭУ [2], [3]. Первый способ заключается в постоянном мониторинге потребления энергии и надлежащем регулировании мощности источников электроэнергии с тем, чтобы постоянно поддерживать равенство между двумя вышеупомянутыми мощностями. Второй способ заключается во включении в энергосистему дополнительного источника электроэнергии, который сохраняет электроэнергию при ее сокращенном потреблении и после преобразования подает в электрическую сеть при превышении определенного уровня потребления. Устранения динамической стабилизации в гибридных энергосистемах является актуальной задачей.

Перспективным вариантом создания дополнительных систем электроснабжения для потребителей электроэнергии, с централизацией источников энергии, является использование индукционных токов получаемых из ВЭУ с магнитными лопастями токов получаемые из солнечных панелей [2].

Целью данной работы заключается проектирование и практическое использование гибридной энергосистемы на базе ветроустановки для одностадийного вырабатывания и потребление электроэнергии.

Метод решения

Сравнительный анализ схем гибридных энергосистем показал, что наиболее перспективным вариантом сопряжения различных типов энергоисточников в одной энергосистеме, является исключение территориального источников электроэнергии. В этом случае гибридный энергетический комплекс проектируется по совокупному принципу, легко масштабируется и при необходимости перестраивается. Кроме того, можно объединить структуру и конструкцию электронных силовых преобразователей. Используя модульный принцип их построения, проще разработать линию преобразователей для модельного ряда мощностей [3]. Использование вставки постоянного тока позволяет более просто суммировать и распределять потоки энергии из генерирующих источников и внедрять эффективные алгоритмы управления для этого процесса [4].

Для решения поставленной задачи в работе предлагается следующая гибридная энергосистема на базе ВЭУ.

 

Рис. 1 – Гибридная ВЭУ с централизованным источником энергии

 

Преимущество такой гибридной энергосистемы на базе ВЭУ заключается в следующем. Допустим, что мы спроектировали гибридную энергосистему показанную на рис.2-а. Такая гибридная энергосистема имеет характер территориально распределенных источников энергии. Если мы будем использовать предложенную ВЭУ (рис.1), то у нас получится гибридная энергосистема на базе ВЭУ, имеющая характер централизованных источников энергии (рис. 2-б).

 

Рис. 2 – Централизация источников энергии

На рис.3 приведен замещающая электрическая схема централизованной гибридной энергосистемы, проектированная на базе ВЭУ с магнитными лопастями. Эта схема выражает работу предложенной гибридной энергосистемы ВЭУ с магнитными лопастями. Поступающие с трех источников энергий токи I₁, I₂ и I₃ , проходя через контроллер, устанавливают постоянное значение и дальше проходят через аккумулятор. Прибывшая в аккумулятор энергия порциями отдает некоторое значение тока и через инвертор преобразуется в переменное значение. Оттуда спокойно можно пользоваться этим переменным током в быту и в промышленности. Это универсальная схема дает возможность создать дополнительную энергию из железной сетки, тем самым общиряя возможности употребления ветроустановки.

 

Рис. 3 – Замещающая схема централизованно-гибридной ВЭУ

 

Расчет мощности централизованная гибридная энергосистема на базе о ветрогенератора с магнитными лопастями производится следующим образом.

Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, – 9...12 м/с. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.

В специальной литературе имеется множество формул расчета мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.

• 1 способ

Р = D²V³/7000, кВт,

где: P – мощность; D – диаметр винта в метрах; V – скорость ветра в м/с.

• 2 способ

P = 0.6SV³,

где: P – это мощность, в ваттах; S – площадь (м²), на которую перпендикулярно дует ветер; V – скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле – в кубе).

В нашем случае к этой мощности добавляется 

l₂-индукционный ток, получаемый из сетки; -сопротивление сетки.

Таким образом, мощность ВУЭ с магнитной лопaстью определяется как:

Энергоотдача системы - величина условная и разная для разных регионов и людей.

Например, при среднегодовой скорости 6 м/сек ветроустановка 3 кВт выдает 700 Вт + Р_Л, или 0.7 кВт + Р_Л в час, или 16.8 кВт +  часов в сутки, или 504 кВт-часов в месяц. Что это такое?

Средняя семья потребляет 400 кВт-часов в месяц, или 13.3 кВт-часа в сутки, или 0.56 кВт в час [5].

Теперь рассчитаем вырабатываемую мощность солнечной панели.

Допустим, максимальная мощность солнечной панели с габаритом: 1,2х0,67=0,84 м² равна 110 Вт. Берем площадь S=10 м². Для этой площади понадобится количество панелей:  Теперь рассчитаем, сколько электрической мощности вырабатывает эти солнечные панели. Так как суммарная мощность панели равна 110х12 = 1320 Вт.

Расчет коэффициента солнечной инсоляции, т.е. количество пикочасов рассчитывается следующим образом

 Таблица 1 – Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации

Например, для расчета коэффициента пикочасов устанавливаем солнечные панели под углом 50.0 градусов, на широте 43,1 градус. Разделяем годовое значение суммарной солнечной радиации на количество дней в году, получаем среднее суммарное значение за день. Полученное значение разделяем на 1000, и получим условное время, в течении которого солнце светит как бы с интенсивностью 1000 Вт/м².

1) 1681кВт*ч/м² / 365 = 4,6 кВт*ч/м²; 2) 

С учетом того что солнечные часы в сутки равны 4,6, рассчитаем вырабатываемую электроэнергию за сутки: 1320х4,6 ≈6072 Вт*час. Если мы установим эти панели на мачтах ВЭУ, тогда эта мощность вырабатывается примерно на площади 1м². Тем самым повышается КИЭВ ветроэнергетической установки.

КПД (эффективность) ветроустановки - величина, показывающая, какую часть энергии ветра использует установка.

Например, если энергия ветра изначально была 100%, а ветроустановка использовала только 40%, потери в генераторе составили 15% (т.е. КДП генератора составило 85%), потери в электронном регуляторе на тепло составили еще 15% (т.е. 85%), далее потери в проводах 5% и в инверторе 15%, то общий КПД системы можно найти, перемножив все КПД всех приборов, участвующих в преобразовании энергии ветра в электрическую.

В нашем случае это будет: КПД_сол.п. х КПД_вэу х КПД_ген. х КПД_эл.рег. х КПД_{провод.} х КПД_{инверт.} = 4.6х 0.35х 0. 0.4 х 0.85 х 0.85 х 0.95 х 0.85 = 0.37 (или 37%). Это и есть количество электрической энергии, которое будет получено от 100% энергии ветра. Без гибридизации использования энергии ветра будет 23%.

Нетрудно догадаться, что чем ниже КПД, тем больших размеров ветроустановку нужно иметь, чтобы получить одно и то же количество электроэнергии. И наоборот, чем КПД каждого прибора выше, тем меньше (а значит, и дешевле) установку можно поставить для получения того же количества энергии.

В характеристиках ВЭУ обычно указывают мощность на выходе ветроустановки (т.е. на выходе генератора или электронного регулятора). Данная мощность характеризуется в свою очередь определенным напряжением постоянного тока. Например, если указывается мощность ВЭУ 3 кВт, это означает, что на выходе электронного регулятора ВЭУ будет действительно 3 кВт. Но до потребителя мощность такая не дойдет! В приведенном выше типичном примере общий КПД инвертора и проводов составил 0.85 х 0.95 = 0.8 (или 80%). Т.е. потребитель получит 3 кВт х 0.8 = 2.4 кВт. Это всегда необходимо иметь в виду при подсчетах количества требуемой электроэнергии.

Выводы

Как известно, Европа полным ходом движется к зелёной энергетике, к зелёным лесам и чистым рекам, к независимости государственной и личной. В том векторе будет двигаться всё большее количество стран и людей. Количество установленных персональных солнечных мини-электростанций в Европе уже очень велико. И это не просто «мода», это и весомый вклад в энергетику (до 10 -15% в некоторых странах). Для покрытия энергетических нужд географически отдаленных регионов от больших городов требует широкомасштабное внедрение в эту сферу доступных альтернативных источников энергии [5]. Так как, на эти регионы нецелесообразно, а иногда невозможно провести различных типов линии энергопередач, то оптимальным видом для обеспечения энергоснабжения этих регионов, является использования для этой цели ВЭУ.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Арифжанов А.Ш. Схемотехнические решения подключения автономных источников энергетики на базе возобновляемых источников энергии в общую распределительную сеть / А.Ш. Арифжанов, Р.А. Захидов // Проблемы информатики и Энергетики. № 6, 2017, с.47-58.
2. Рустамов Н.Т. Ветрогенератор с магнитными лопастями / Н.Т. Рустамов, А.Т. Мейрбеков, Б.К. Мейрбеков. Патент РК на изобретение № 33214 от 17.10.2018
3. Асланян Г. Новые источники и методы преобразования энергии. Опыт сотрудничества стран членов СЭВ / Г. Асланян, В.Симонов , Ю. Тюрин, Э. Шпильрайн. - Москва, - 1981 г. 117с.
4. Рустамов Н.Т. О создании гибридных энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии (ВИЭ) / Н.Т. Рустамов // Вестник Национальной инженерной академии Республики Казахстан. - 2014. -№ 4 (54). - С. 114-116. - ISSN 1606-146Х
5. Рустамов Н.Т., Исмаилов Д.М. К вопросу повышения эффективности ветроустановок / Н.Т. Рустамов, Д.М. Исмаилов // Вестник МКТУ им. А. Ясауи, № 2, 2016, с.23- 32.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Arifzhanov A. Sh. Skhemotekhnicheskie reshenija podkljuchenija avtonomnykh istochnikov ehnergetiki na baze vozobnovljaemykh istochnikov ehnergii v obshhuju raspredelitel'nuju set' [Sheet-Oriented Solutions to Connecting Autonomous Energy Sources Based on Renewable Energy Sources to a Common Distribution Network] / A. Sh. Arifzhanov, R. A. Zakhidov// Problemy informatiki i Ehnergetiki [Problems of Computer Science and Energy]. 6, 2017, Tashkent, pp. 47-58 [in Russian]
2. Rustamov N. T. Vetrogenerator s magnitnymi lopastjami [Wind Generator with Magnetic Blades]. Patent RK na izobretenie № 33214 ot [Patent of the Republic of Kazakhstan for the invention No. 33214] dated 17.10.2018
3. Aslanyan G. Novye istochniki i metody preobrazovanija ehnergii. Opyt sotrudnichestva stran chlenov SEV [New Sources and Methods of Energy Conversion. Experience of Cooperation Between Comecon Countries]/ G. Aslanyan, V Simonov, Yu. Tyurin et al. - Moscow, - 1981g. 117 p. [in Russian]
4. Rustamov N. T. [On the Creation of Hybrid Energy Systems Using Renewable Energy Sources (Res)]/ N. T. Rustamov // Vestnik Nacional'nojj inzhenernojj akademii Respubliki Kazakhstan [Bulletin of the National Engineering Academy of the Republic of Kazakhstan]. - 2014. - № 4 (54). - pp. 114-116. - ISSN 1606-146X [in Russian]
5. Rustamov N. T., Ismailov D. M. K voprosu povyshenija ehffektivnosti vetroustanovok [on the issue of improving the efficiency of wind turbines] / N. T. Rustamov, D. M. Ismailov // Vestnik MKTU im. A. Jasaui [Bulletin of the Ahmet Yesevi University]. , No. 2, 2016, pp. 23-32 [in Russian]