Расчет параметров ВЭУ малой мощности. Проектирование ветропарка средней мощности

Федеральное агентство по науке и образованию Российской Федерации

__________________________________________________________________

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Инженерно-строительный институт

Кафедра водохозяйственного и гидротехнического строительства

Пояснительная записка к курсовой работе

«Оборудование и сооружения ВИЭ»

Выполнил:
Студент гр. 43101/14	_______________	Беллендир Н.Э.
Проверил:
Д.т.н., профессор	________________	Елистратов В.В.

Санкт-Петербург

2014

Оглавление

1  Расчет параметров ВЭУ малой мощности. 3

1.1 Построение рабочей характеристики ВЭУ.. 6

1.2 Определение моментов ветроколеса. 7

1.3 Расчет лобовой нагрузки. 7

2  Проектирование ветропарка средней мощности со схемой выдачи                                                                                    мощности  9

2.1 Определение основных параметров генератора. 10

2.2 Расчет КПД генератора. 11

2.3 Определение выработки ВЭС.. 12

2.4 Построение схемы выдачи мощности ветропарка. 12

3  Выюор гидротурбинного оборудования ГЭС. 14

3.1 Построение кривой связи расходов и уровней воды в НБ. 14

3.2 Построение схемы напоров. 15

3.3 Выбор системы турбины и выбор рабочего колеса. 16

3.4 Определение частоты вращения турбины. 17

3.5 Построение зоны работы турбины на универсальной характеристике. 19

3.6 Определение отметки рабочего колеса и высоты отсасывания. 21

Вывод  24

Список использованных источников. 26

1  Расчет параметров ВЭУ малой мощности

1)  Быстроходность ветроколеса (ВК):

,                                                            (1.1)

где       V – скорость, приходящая на лопасти;

ω – угловая частота вращения ВК;

D – диаметр ВК.

2)  Угловая частота вращения ВК:

.                                                             (1.2)

3)  Мощность ВК:

,                                                    (1.3)

где       F=-площадь ВК.

По графику Сp(Z) находим оптимальное значение Z по заданному Ср, где Z – быстроходность турбины, Ср – коэффициент использования ветрового потока, который в данном варианте равен 0,391.

- Используя аэродинамическую характеристику определяем значение Z:

Z=10,2.

- Диаметр ВК:

                             (1.4)

Следовательно, D = 4,5 м.

- Угловая частота вращения ВК:

.                                          (1.5)

- Номинальное число оборотов ВК:

.                                  (1.6)

Следовательно, .

Пересчет данных:

По формуле 1.2 находим ω_ном с найденным значением n_ном :

;

По формуле 1.1 находим Z с известным

.

По графику находим  

По формуле 1.3 считаем мощность ветроколеса N_ВК:

=3,36 кВт .

Мощность ВЭУ с учетом КПД:

.

Полученные данные:

1.   кВт;

2.   об/мин;

3.  ;

4.  = 10,18 = 10,2;

5.   = 0,39;

6.   = 4,5 м.

Расчет лопастей:

.                                              (1.7)

где R =, R =  = 2,21 (м).

График 1.1 – Зависимость b(r)

1.1  Построение рабочей характеристики ВЭУ

По полученным данным выбираем ветрогенератор 48В ¾ кВт  Storm USE

Рисунок 1 – Ветроэнергетическая установка

Сравнения характеристик ВЭУ приведены в таблице 1.1.

Таблица 2 – Характеристики ВЭУ

Характеристики	Полученные	Реальные
Диаметр ВК, D	4,5 м	4 м
Ном. скорость ветра, V	9,6 м/ceк	9 м/ceк
Мощность ,	2,57 кВт	3 кВт
Ном. число оборотов,	415 об/мин	400 об/мин

График 2. Рабочая характеристика мощности в зависимости от силы ветра

1.2  Определение моментов ветроколеса

1)  Вычисляем базисный момент:

.                     (1.2.1)

2)  m_нач, m_макс, m_ном определяем из графика:

m_нач=0,007;

m_макс=0,091;

m_ном=0,071.

3)  Вычисляем моменты:

;                      (1.2.2)

;                    (1.2.3)

.                   (1.2.4)

1.3  Расчет лобовой нагрузки

Необходимо определить коэффициент нагрузки В и В_пор:

В – коэффициент нагрузки, который определяем по графику, В = 0,77,

B_пор=0,932, определяется из условия B_пор=f(z_пор)=f(z*1,5).

Далее определяем номинальную лобовую нагрузку и лобовую нагрузку при порыве:

;   (12)

.  (13)

Схема ветроэлектрического агрегата см. рис. 1.3.1

Рисунок 1.3.1. Схема ветроэлектрического агрегата.

2          Проектирование ветропарка средней мощности со схемой выдачи мощности

Параметры ВЭУ:                                    

                                                         Z = ,                                        (2.1)

где  – угловая скорость,

                                                            ,                                         (2.2)

Определяем диаметр ветроколеса:

                                                             D =  ,                                         (2.3)

          D =  = 30 м.

Из формулы 2.1 находим ω_ном:

ω_ном =  ,

ω_ном =  = 2,1 с^-1.

По формуле 2.2 находим n_ном:

n_ном =  ,

n_ном =  = 20 об/мин.

Пересчет скорости на высоте ВК:

                                                        V(Н) = V₀*,                                       (2.4)

где V₀ – среднегодовая скорость на высоте 10 м,

Н – высота ВЭУ,

  показатель степени, зависящий от типа местности,

V(Н) = 4,8*= 9,1 (м/с).

2.1  Определение основных параметров генератора

·  Число пар полюсов синхронного генератора:

                                                             р = ,                                                 (2.1.1)

р =  = 13,

·  Полная мощность генератора:

                                                          S =  ,                                                 (2.1.2)

S =  = 3529 кВт,

·  Удельная нагрузка на каждый полюс:

                                                             S_* = ,                                                 (2.1.3)

S_* =  =135,7 кВт,

·  Полюсное деление:

                                                        τ = А*,                                                 (2.2.4)

где  0,239, А = 0,451, тогда

τ = 0,451* = 1,45.

·  Диаметр ротора:

                                                              D₂ = ,                                             (2.1.5)

D₂ =  = 1,88 м,

·  Внутренняя расточка статора:

D₁ = D₂ + 2(4 … 6) мм;

D₁ = 1,98 м.

2.2  Расчет КПД генератора

КПД генератора определяется по следующей формуле:

η_ген = ,                                                           (2.2.1)

Активная мощность потерь генератора:

=  + 0,05(),                                   (2.2.2)

где  , где I – фазный ток синхронного генератора,

R – активное сопротивление фазы статора.

I = , I =  = 135,8 А,

R = 1,754*10^-8*,                                               (2.2.3)

где  – длина витка якоря обмотки,

 – число витков в фазе,

q – сечение провода (q=2,01 мм²),

ω=р*m                                                (2.2.4)

m – число проводников на пазу,

= 2(1,5*,                                    (2.2.5)

h, l – линейные размеры паза,

=0,5*1,98=0,99 м,                             (2.2.6)

= 2(1,5*,

R = 1,754*10^-8* = 0,0074 Ом,

Тогда  = 40,9 (Вт),

=  + 0,05(.

Определение КПД генератора:

η_ген=.

2.3  Определение выработки ВЭС

Выработка ВЭС:

                                                  Э_ВЭУ =N_ВЭУ*Т*К_исп,                                      (2.3.1)

где Т=8760 ч – число часов в году.

Мощность ВЭУ:

N_ВЭУ=N* η_ген=300000*0,83=249000 Вт.                        (2.3.2)

Выработка ВЭУ:

Э_ВЭУ =249000*8760*0,272= 593 МВт*ч

                                                Э_ВЭС = Э_ВЭУ*k*β₁β₂,                                      (2.3.3)

k = 19, β₁ = 0,9, β₂ = 0,97.

Э_ВЭС = 593*19*0,9*0,97=9836 МВт*ч.

2.4  Построение схемы выдачи мощности ветропарка

ВЭС располагается на водной поверхности. Вид розы ветров – несимметричный. Следовательно, ВЭУ располагаются в один или два ряда (рисунок 2.5.1).

Расстояние между ВЭУ:

l₁=6D=10*30=300 м,                                             (2.4.1)

l₂=2,5D=2,5*30=75 м.                                           (2.4.2)

Рисунок 2.4.1 – Схема расположения ВЭУ.

Схема выдачи мощности ветропарка представлена на рисунке 2.4.2.

Рисунок 2.4.2 – Схема выдачи мощности ветропарка.

3  Выюор гидротурбинного оборудования ГЭС.

Максимальный расчетный расход воды Q_max = 2700 м³/с;

Минимальный расчетный расход реки Q_min  =  80 м³/с;

НПУ = 161 м;

УМО = 158,5 м;

Расход воды ГЭС Q_ГЭС = 550 м³/с;

Количество агрегатов n_агр = 3 шт.

3.1  Построение кривой связи расходов и уровней воды в НБ.

По исходным данным (см. табл. 3.1.1) построим кривую связи расходов и уровней воды в нижнем бьефе Z_НБ = f(Q), (рис. 3.1.1).

Таблица 3.1.1 – Расходы и уровни воды в нижнем бьефе ГЭС

 

Рисунок 3.1.1 – Кривая связи Z_НБ = f(Q).

Из графика видно, что:

Z_max = 49,5 м;

Z_min = 46,1 м;

Z_ГЭС = 47,3 м;

Z_1агр = 46,5 м.

3.2  Построение схемы напоров

Максимальный напор ГЭС определяется разностью отметок нормального подпорного уровня и уровня воды, соответствующего расходу через один агрегат:

Н_max = Z_НПУ – Z_агр,                                                           (3.2.1)

где Z_агр – отметка уровня воды, соответствующая расходу через 1 агрегат, м;

Z_НПУ – отметка нормального подпорного уровня, м;

Н_max = 161 – 46,51 = 114, 5 м.

Минимальный напор:

Н_min = Z_УМО - Z_ГЭС,                                                        (3.2.2)

где  Z_ГЭС -отметка уровня воды, соответствующая расходу ГЭС, м,

Z_УМО  - отметка уровня мёртвого объёма, м;

H_min = 158,5 – 47,31 = 111,2 м.

Рабочий напор:

Н_раб = Z_НПУ -   – Z_агр,                                         (3.2.3)

Н_раб = 161 -   – 46,5 = 113,7 м.

По полученным данным строим схему напоров (Рис.3.2.2).

Рисунок 3.2.2 – Схема напоров

3.3  Выбор системы турбины и выбор рабочего колеса

Выбор системы турбины и типа рабочего колеса производим по заданному максимальному напору. По заданному Н_max = 114,5 м выбираем систему турбины и тип рабочего колеса. Для данного напора выбираем радиально-осевую гидротурбину с рабочим колесом РО 115 . (табл. 1.5 [1]).

Определение диаметра рабочего колеса

Для определения диаметра рабочего колеса воспользуемся универсальной характеристикой выбранной гидротурбины.

Предварительная мощность гидротурбины определяется по формуле:

,

(3.3.1)

где  – расход одного агрегата ГЭС, м³/с;

 – КПД натурной гидротурбины, соответствующий режиму её работы в расчетной точке;

 – расчетный напор гидротурбины, м.

N_предв = 9,81∙550/3∙113,7∙0,89 = 588930 кВт = 588930 КВт,

Диаметр рабочего колеса гидротурбины определяется по формуле:

,

(3.3.2)

где  – номинальная мощность гидротурбины, кВт;

 - приведенный расход в расчетной точке, м³/с.

Значение  в формуле (4.2) принимается равным величине приведенного расхода на линии 5%-ого запаса мощности и при величине , соответствующей оптимальной приведенной частоте вращения модели, при которой КПД имеет максимальное значение. Для его определения воспользуемся универсальной характеристикой гидротурбины РО115.

 = 4 м.

Для РО гидротурбин при округлении диаметра до стандартного значения