ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1 Мировые тенденции развития ВИЭ 7
1.2 Общие сведения о ветроэнергоустановках 12
1.3 Современное состояние проблемы. Постановка задачи 19
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЭУ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВОГО ТИПА 23
2.1 Математические модели структур ВЭУ 23
2.2 Исследование адекватной имитационной модели ВЭУ в среде
MATLAB R2014b 27
3 РАЗРАБОТКА ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ЛОПАТОК ВЭУ
ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 37
3.1 Разработка математической модели и расчет геометрических
размеров лопаток ветроустановки 37
3.2 Разработка технологии и изготовление лопаток ВЭУ 47
3.3 Испытание лопаток ветроустановки 58
4 РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И
УПРАВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ВЭУ 64
4.1 Устройство стабилизации выходного напряжения в
ветроэнергетической установке 64
4.2 Микроконтроллерное устройство стабилизации выходного
напряжения для ветроэнергетической установки 68
4.3 Устройство преобразования постоянного тока накопителя
электрической энергии в переменный ток промышленной частоты 73
4.4 Система ориентации ВЭУ на ветер 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Актуальность выполняемой выпускной квалификационной работы вытекает из Энергетической Стратегии России - 2030, где сказано, что:
- Цель энергетической политики России - максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций.
- Россия в настоящее время практически не представлена на мировом рынке энергетики, основанной на возобновляемых источниках энергии, она не останется в стороне от развития этого перспективного направления (с учетом структуры и особенностей развития национального энергетического сектора). Имеющийся в стране потенциал возобновляемых источников энергии и научно-технические разработки в этой сфере наряду с развитием международного сотрудничества станут основой поэтапного увеличения вклада России в развитие указанного рынка.
По данным ежегодника «Мировая энергетическая статистика в 2016 году в России было произведено всего лишь 0,04% солнечной и ветровой энергии, тогда, как в некоторых странах запада данный процент достигал четверти от всей выработанной энергии.
Одной из причин такого низкого вырабатывания и использования солнечной и ветровой энергии, это региональный топливно-энергетический аспект, дороговизна установок. С другой стороны использование подобных установок позволяет обеспечить энергией места работы в труднодоступных районах, а также обеспечить энергобезопасность отдельно взятых субъектов страны. В данной работе мы попытались рассмотреть и исследовать один из вариантов таких установок - ветроэнергоустановки малой мощности.
Цель работы - исследование режимов работы ветроэнергетической установки малой мощности с улучшенными энергетическими показателями при малых массогабаритных размерах и низких скоростях ветрового патока.
Для достижение цели были поставлены и решены следующие задачи:
— разработка и исследование компьютерной модели «ветровая турбина - генератор - выпрямитель - аккумуляторная батарея - инвертор - нагрузка»;
— разработка и испытание систем преобразования энергии ветроэнергоустановки в электрическую энергию со стабильными выходными параметрами;
— исследование режимов работы опытного образца ветроэнергоустановки в лабораторных и полевых условиях при разных нагрузках с скоростях ветра.
Математическая модель ветроэнергоустановки малой мощности представляет из себя структуру из моделей ветровой турбины, синхронного трехфазного генератора, выпрямителя, трехфазного автономного инвертора и аккумуляторной батареи.
На основании математических уравнений, описывающих динамику работы компонентов ветроэнергоустановки, была собрана модель и исследована имитационной модель ветроэнергоустановки в среде Матлаб с использованием элементов библиотеки Симулинк, что дало несколько разные результаты в моделях ветровой турбины в развертке и ВЭУ, описывающий процесс выработки мощности и ее аккумулирования.
На представленных ниже графиках, на которых видим мощность, вырабатываемая генератором, при изменении частоты вращения ротора и напряжение на выходах генератора при изменении частоты вращения ротора.
В целях стабилизации выходного напряжения ветроэнергоустановки и придания ему синусоидальных форм, уменьшения потерь энергии и упрощения эксплуатации мы разрабатываем систему стабилизации и управления выходными параметрами ветроэнергоустановки.
Для этого мы используем существующее изобретение устройства стабилизации выходного напряжения и частично изменяем его структуру: вводим микроконтроллерную систему управления, используем микросхемы, сокращаем компонентную базу и используем алгоритмическую синхронизацию процесса управления.
Техническим результатом данной разработки будет стабилизация выходного напряжения ветроэнергоустановки, формирование стабильного выходного напряжения синусоидальной формы с постоянной частотой, упрощение эксплуатации, повышение надежности устройства и функциональных возможностей системы управления.
В нашей работе мы рассматриваем систему стабилизации мобильной ветроустановки малой мощности с системой ориентации в виде хвостика с оперением. При увеличении скорости ветра будет усиливаться пропорционально квадрату скорости давление на ветроприемной устройство. Далее рассмотрим поведение ветроэнергоустановки при разных по силе скоростях ветра и как осуществляется увод лопастей ветроэнергоустановки от сильных разрушительных ветров.
В работе достигнуты следующие результаты, выносимые в качестве научной новизны:
- разработана математическая модель ветроэнергоустановки малой мощности, позволяющая исследовать поведение ветроэнергоустановки в широком диапазоне входных параметров;
- разработана система стабилизации выходного напряжения ветроэнергоустановки;
- разработана автоматизированная система управления ориентации ветроэнергоустановки на ветер.
Практическим результатом является возможность использования научных и практических результатов при последующем производстве автономных ветроэнергетических установок малой мощности и их систем управления.
