книги / Методические указания к лабораторным работам по ветроэнергетике

ВXIX–XX вв. научно-технический прогресс, набиравший обороты огромными темпами, в корне изменил технологическую картину мира. Сталь, нефть, газ, новые материалы и расширенные научно-технологические возможности отодвинули далеко на задний план достижения сотен лет человеческой цивилизации. Но человечество стало так активно разрабатывать месторождения нефти, угля и газа,получаяприэтомтакмногопобочныхэффектовотпромышленного их использования и истощения ресурсов земельных недр, что логика разума и здравого смысла заставила вновь обратиться к возобновляемым источникам энергии, в частности, к энергии ветра.

ВРоссии также заинтересовались возможностью выработки электроэнергии с помощью ветроустановок: в 1918 г. «ветряками» занялсяпрофессор В. Залевский, создавшийтеорию«ветряной мельницы» и сформулировавший несколько основных принципов, которым должна отвечать ветроустановка. В 1925 г. профессор Н.Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряныхдвигателейвЦентральномаэрогидродинамическоминституте (ЦАГИ), главнейшем научно-исследовательском институте России. Отрасль начала стремительно развиваться, и в 1930-х гг. Советский Союз был «впереди планеты всей» в использовании энергии ветра. Тогда было освоено производство разнообразных ветроустановок

мощностью 3–4 кВт, которые выпускались целыми сериями. В 1931 г. в СССР, в районе Балаклавы, заработала крупнейшая в миренатотмоментсетеваяветроэнергетическаяустановка.Опорная конструкция ветродвигателя (мачта) была построена по проекту крупнейшего российского инженера В.Т. Шухова. Ветроагрегат, с диаметром колеса 30 м и мощностью асинхронного генератора 100 кВт, был в то время самым мощным в мире (мощность ветроагрегатов в Дании и Германии была в пределах 50–70 кВт с диаметром колеса до 24 м). В дальнейшем на юге страны уже были установлены десятки подобных мощных российских ветрогенераторов.

В 1938 г. в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции (ВЭС) мощностью 5 МВт. Вконце 40-х гг. вЦАГИ и в других организациях начались активные разработки различных

11

ветроустановок. С 1950 по 1955 г. страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоенияцелинывКазахстане,гденехваталоэлектроэнергии,была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работав- шаявпаресдизелем,общеймощностью400кВт–прообразсоздан- ных позже современных зарубежных ветропарков.

Однакоиспользованиеэнергииветравкрупномасштабнойроссийской энергетике оказалось несвоевременным для страны в середине прошлого века: нефть, газ и уголь оставались для России сравнительнодешевыми,устойчивоувеличивалиськапитальныевложения в строительство тепловых и атомных электростанций, интенсивно развивалась гидроэнергетика. Кроме того, развитие экспортного потенциала углеводородов России становилось главнейшей государственной задачей.

В 1960–1980 гг. энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС, а ветроэнергетические установки (ВЭУ) не выдержали конкуренции с электроэнергетическими гигантами, объединившимися в единую мощную национальную сеть. И в конце 1960-х гг. серийное производство ВЭУ было закрыто. Это также было связано с большими расходами страны на широчайшую разработку в то время новых нефтяных и газовых месторождений и с началом интенсивного строительства дорогостоящих нефтепроводов и газопроводов для широких экспортных поставок углеводородов за рубеж.

Но время вносило свои коррективы в развитие энергетики, а такжев необходимостьповышенияееэкологическихпоказателей.Поэтому российское государство снова обратилось к развитию ветрогенерации.Исследование,разработка,производствоиэксплуатацияветроэнергетических установок стали актуальнейшей научно-техниче- ской проблемой, активно решаемой в настоящее время не только во многих странах мира, но и в России, где, к сожалению, пока имеются неоченьбольшиеуспехивразвитииэтойобластиэнергетики.

Приведемпримерыпороссийскойэнергетической(иветроэнергетической) отрасли в цифрах. По данным за 2019г. структура

12

производства электроэнергии в Единой энергетической системе (ЕЭС) России (в процентах): ТЭС – 62,92; АЭС – 19,32; ГЭС – 17,61; СЭС (солнечные ЭС) – 0,12; ВЭС – 0,03. Аналогично по цифрам выглядит иструктураустановленноймощностиэлектростанцийЕЭСРоссии(по данным на 31.12.2019), в процентах: ТЭС – 66,82; ГЭС – 20,24; АЭС –

12,31;СЭС–0,55;аВЭС–только0,08%[2],чтовсветесовременных тенденцийразвитиямировойэнергетикиявляетсяявнонедостаточным.

Поэтому практическое знакомство студентов, обучающихся по направлению бакалавриата «Электроэнергетика и электротехника», с основами лабораторных методов исследования ветроэнергетических установок является актуальной и важной учебно-научной задачей подготовки современных специалистов, в том числе для ветроэнергетической отрасли, требующей активного развития.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

1.1. Общие сведения

Лабораторный стенд «Ветроэнергетическая система» [3] предназначен для проведения лабораторных работ студентами высших учебныхзаведенийприизучениикурсов:«Общаяэнергетика»,«Нетрадиционные источники электроснабжения», «Электромеханика», «Электротехника» и др.

1.2.Состав лабораторного стенда

Всостав лабораторного стенда [3] входят:

–моноблок «ветроэнергетическая система»;

–ветроэлектроустановка в сборе (генератор ветра и синхронный ветрогенератор, закрепленные на общем основании и размещенные в одном корпусе);

–комплект силовых кабелей и соединительных проводов;

–техническоеописаниестенда и методическиеуказания к проведению ряда лабораторных работ.

13

Внешний вид лабораторного стенда представлен на рис. 1. Внешний вид лицевой панели моноблока «Ветроэнергетиче-

ская система» приведен на рис. 2.

На лицевой панели располагаются изображения следующих элементов и управляющие органы системы:

Рис. 1. Внешний вид лабораторного стенда

Рис. 2. Внешний вид лицевой панели моноблока

14

–мнемосхема ветроэнергетической системы, иллюстрирующая принцип ее функционирования;

–преобразователь частоты инверторного типа E2-mini, предназначенныйдляпреобразованияоднофазногонапряженияпитающей сети в трехфазное напряжение регулируемой частоты и амплитуды, подающееся на статорные цепи асинхронного электродвигателя;

–потенциометр «Скорость ветра», предназначенный для установки сигнала задания скорости ветра;

–переключатель «Разрешение», предназначенный для подачи сигнала«Разрешение»на работупреобразователя частотыблоказадания скорости ветра;

–мнемосхема диодного выпрямителя, предназначенного для преобразования переменного напряжения синхронного генератора

впостоянное напряжение аккумуляторной батареи;

–регулируемаяактивнаянагрузка,подключаемаякшинепостоянного тока и служащая для изучения различных энергетических режимовработыветроэлектроустановки.Ступенинагрузкиидентичны друг другу, сопротивление каждой ступени составляет 34 Ом;

–аккумуляторная батарея (6 В, 1200 мАч) с тумблером «Вкл/Откл», управляющим ее включением/отключением;

–цифровые индикаторы, предназначенные для контроля и измерения параметров ветроэлектроустановки в ходе экспериментальных исследований различных режимов установки.

1.3.Домашнее задание по всем лабораторным работам

1. Используя учебник [1] и конспект лекций по дисциплине, изучитетеоретическийматериалповетроэнергетике.Обратитеособое внимание на следующие понятия, вопросы и проблемы:

–предмет ветроэнергетики. Что такое ветроэнергетические установки(ВЭУ),ихвидыисоставляющиеэлементы,достоинстваинедостаткиВЭУпосравнениюсдругимиисточникамиэлектроэнергии;

–классификация видов воздушных течений, в том числе в Пермском крае и в России;

15

–коэффициент удельной выработки электроэнергии на ветроэлектрическихстанциях(ВЭС).ГдецелесообразноустанавливатьВЭС?

–как в общем случае рассчитываются энергия воздушного потока и мощность ВЭУ?

–классификационные признаки и основные виды ВЭУ;

–какие характерные значения рабочей скорости ветра можно выделить для каждой ВЭУ и как они приближенно рассчитываются?

–какие основные направления использования ВЭУ представляются перспективными в России на современном этапе?

2. Внимательно прочитайте описание лабораторной ветроустановки, уясните состав и назначение ее компонентов и органов управления. Заготовьте в рабочей тетради необходимые таблицы для записи опытных величин.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Работа № 1. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СТРАГИВАНИЯ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА

Цель работы

Ознакомиться с принципами работы лабораторного стенда, произвести измерение скорости страгивания ветрогенератора.

Программа работы

1.Ознакомиться с описанием лабораторной установки и лабораторной работы.

2.Изучить мнемосхему и назначение элементов управления ветроэлектроустановкой.

3.Провести измерение скорости страгивания ветрогенератора.

4.Построитьопытныезависимости,сделатьвыводы,оформить

изащитить отчет по лабораторной работе.

16

Описание работы

При проведении лабораторной работы синхронный ветрогенератор должен находиться в режиме холостого хода. Для этого перед началом работы со стендом необходимо при выключенном пи-

тании:

–перевести переключатели активной нагрузки SA1–SA5 в нижнее положение;

–переключатель аккумуляторной батареи перевести в положение «ОТКЛ»;

–переключатель «Разрешение» блока задания скорости ветра установить в нижнее положение. При этом блокируется работа преобразователя частоты;

–потенциометр задания скорости ветра установить в крайнее положение против часовой стрелки.

Опыт измерения скорости страгивания ветрогенератора заключается в снятии зависимости скорости синхронного генератора от

–подать напряжение на элементы стенда (переключатель, расположенный с тыльной стороны моноблока);

–переключатель «Разрешение» блока задания скорости ветра

установить в верхнее положение;

–плавнымизменениемположенияпотенциометразаданияскорости ветра изменять скорость вращения приводного асинхронного двигателя от ноля до максимального значения. При этом необходимо найти скорость ветра, при которой происходит страгивание генератора. Скорость ветрогенератора отображается на цифровом индикаторе, расположенном на лицевой панели. Фиксацию показаний необходимо производить после выхода системы на установив-

шийсярежимработы.Дляэтогоизмеренияпроизводитьтолькопо- слевыдержкивременипослекакого-либоизмененияпараметровси-

стемы. Результаты измерений заносить в таблицу.

17

Зависимости скорости (частоты) вращения ветрогенератора от скорости ветра

Восходящая ветвь

nв, м/с

f, Гц

Нисходящая ветвь

nв, м/с

f, Гц

После выхода генератора на максимальную скорость необходимо зафиксировать нисходящую ветвь характеристики, уменьшая скорость ветра от максимального значения до нуля и фиксируя показания.

Послепроведенияопытавывестипотенциометрзаданияскорости ветра в крайнее положение против часовой стрелки, установить переключатель «Разрешение» блока задания скорости ветра в ниж-

нее положение. Выключить питание стенда.

По результатам опытов построить зависимости скорости вращения ветрогенератора от скорости вращения нагнетающего вентилятораприростеиспадескоростиветра.Определитьскоростьстрагивания стоящего генератора. Оформить отчет о работе в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32-2017 «Отчет о НИР. Структура и правила оформления». Отчет должен содержать краткие письменные выводы по работе и краткие ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1.Объяснить,скакойцельюпроизводятсяпереключенияорганов управлениястендомпередначаломработы?Вкакоеисходноеположениедолжныустанавливатьсяорганыуправлениястендом(переключатели, потенциометры) перед началом даннойработы ипочему?

2.Объяснить, что такое «скорость страгивания ветрогенератора и как она определяется?

18

3.По какому параметру оценивается скорость ветра установки

ипочему?

4.Объяснитьхарактерзависимостейскоростивращенияветрогенератора от скорости вращения нагнетающего вентилятора при росте и спаде скорости ветра.

Работа № 2. ИЗМЕРЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА

Цель работы

Измерить минимальную скорость ветра, при которой будет работать ветроэнергетическая система лабораторного стенда.

Программа работы

1.Ознакомиться с описанием лабораторной установки и лабораторной работы.

2.Изучить мнемосхему, назначение и положение элементов управления ветроэлектроустановкой в ходе опыта.

3.Провести измерение минимальной рабочей скорости ветра.

4.Провести снятие опытных зависимостей, сделать выводы, оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

Описание работы

Передначаломлабораторнойработысинхронныйветрогенератор должен находиться в режиме холостого хода, а батарея отключенаотшиныпостоянноготока.Дляэтогопередначаломработысо стендом необходимо при выключенном питании:

–перевести переключатели активной нагрузки SA1–SA5 в нижнее положение;

–переключатель аккумуляторной батареи перевести в положение «ОТКЛ»;

19

–переключатель «Разрешение» блока задания скорости ветра установить в нижнее положение. При этом блокируется работа преобразователя частоты;

–потенциометр задания скорости ветра установить в крайнее положение против часовой стрелки.

Опыт измерения минимальной рабочей скорости ветра заключается в снятии зависимости тока заряда аккумуляторной батареи и

–подать напряжение на элементы стенда (переключатель, расположенный с тыльной стороны моноблока);

–переключить тумблер аккумуляторной батареи в положение «ВКЛ». В этом случае аккумуляторная батарея подключается к шинам постоянного тока через контроллер заряда батареи;

–податьразрешениенаработупреобразователячастоты(переключатель «Разрешение» блока задания скорости ветра) и установить максимальнуюскоростьветрапотенциометромзаданияскоростиветра;

– дождаться окончания переходного процесса генератора и, плавно уменьшая скорость ветра, фиксировать в таблице ниже необходимые величины.

Зависимости тока заряда аккумулятора ветроустановки и скорости вращения ветрогенератора от скорости ветра

f, Гц

I1, мА

nг, об/мин

При проведении опыта необходимо зафиксировать точку, в которой потребляемый аккумулятором ток становится равным нулю. ВэтойточкеЭДС,производимаягенератором,равняетсяЭДС

20