ВВЕДЕНИЕ

Активное использование экологически чистых источников энергии сейчас своего рода признак хорошего тона, всячески приветствуется как мировой общественностью, так и правительствами разных стран. Признанным лидером в области ветроэнергетики является США и Германия, где установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) составила в 2007 году 2550 – 2590 MВт. Последние места занимают Дания, Индия и Нидерланды. В этих странах мощности ВЭС равнялись 1625, 1515 и 465 МВт. Ветроэнергетическая промышленность обособилась в отдельную отрасль. На мировом рынке действуют десятки достаточно крупных фирм. Имеются тенденции к увеличению производства ветроэнергии во многих странах мира, например в Дании в настоящее время ВЭУ обеспечивает 4% потребляемой в стране энергии, а в 2030 году на их долю придется половина всей производимой в стране электроэнергии. В отличие от стран запада, проблеме развития ветроэнергетики в Российской Федерации практически не уделяется внимания. Потенциал российского рынка ВЭС огромен.
Для эффективной работы ветроэлектростанций необходимы определенные требования по их размещению. Так, для относительно постоянной работы ВЭС требуется их размещение в местностях, где ветровой потенциал составляет 2500 часов в год. Следует также учитывать те изменения, которые вносятся ветровыми установками в ландшафт местности, их размещение должно соответствовать не только стандартам безопасности и эффективности, но и правильного размещения на местности.
Сейчас во всем мире ветроэнергетика получила еще не столь широкое применение в частном секторе из-за высокой стоимости ВЭС. Целесообразно использовать ВЭС сейчас на удаленных как промышленных и сельскохозяйственных объектах, так и в частном секторе. Существуют модели ВЭС с единичной мощностью 1,5 кВт. Это вполне приемлемая единичная мощность ВЭС для частного сектора. Во всем мире ВЭС размещают на открытых пространствах, что повышает их продуктивность. В горных районах ветроэлектростанции работают эффективнее из-за природных особенностей данных местностей, там преобладает движение воздушных масс с большей силой и скоростью, к тому же это дает энергию в труднодоступные районы.
Экономически приемлемой считается работа ветровой установки в течение примерно 2500 ч/год. Считается, что сооружение ветровой установки мощностью до 5-6 кВт экономически оправдано при скорости ветра 3,5 – 4,0 м/с. Для больших установок требуется скорость ветра, равная 5,5 – 6,0 м/с.
Еще одним эффективным и необходимым применением ВЭС является использование складных разборных мини-ВЭС для обеспечения энергией во время кратковременных выездов, где невозможно использовать электросеть.

1 ОПИСАНИЕ И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОЙ КОНСТРУКЦИИ

1.1 Обзор ветроприемных устройств, используемых в ВЭC
В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветроприемные устройства могут быть классифицированны следующим образом:
• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветра;
• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра;
• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.
Известны также поступательно-движущиеся ветроприемные утройства, к которым можно отнести парусное судно, в том числе с гидравлической турбиной механически соединенной с электрическим генератором [1]. Предлагалось парусное ветроприемное устройство, движущейся по замкнутому рельсовому пути на колесах, которые механически соединяются с электрогенератором.
Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения [1] могут использоваться для преобразования энергии ветра в подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развивать в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорости ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть быстроходными и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.
Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей (рисунок 1.1) от однолопастного устройства с контргрузами до многолопастных устройств (с числом лопастей до 50 и более). Для снижения изгибающих нагрузок у корня лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняются иногда фиксированными по направлению, то есть они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо, выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используется для этой цели хвостовое оперение, а у больших сервосистемы [1].
Для ограничения частоты вращения ветроколеса, при больших скоростях ветра, применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине. Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.

Рисунок 1.1 – Типы ветроприемных устройств
а) однолопастное ветроколесо; б) двухлопастное; в) трехлопастное; г) многолопастное.
Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес [1].
Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной мощностью [1].
Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости [1].
Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как требует применения систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осями вращения [1].
Роторы с вертикальной осью вращения имеют важные преимущества перед ветроприемными устройствами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и снижаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, в системе передач и других элементах установок с горизонтальной осью вращения.
В 1920 году во Франции Дарье предложил новый тип ротора, который в настоящее время рассматривается в качестве основного конкурента ветродвигателей крыльчатого типа [1].
Ротор Дарье относится к ветроприемным устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, отнесенную к его массе или стоимости. Такие роторы имеют различную форму с одной, двумя или большим числом лопастей. Для увеличения начального момента ротор Дарье может быть скомбинирован с различными типами вспомогательных устройств.
Известны также ветроустановки с ротором вертикально-осевого вращения, располагаемым в трубе или башне, внутри которых генерируются входящие вихри. Одновременно предусматривается нагрев воздуха внутри башни путем непосредственного использования солнечного излучения или сжигания топлива с последующим расширением воздуха, вследствие чего получается эффект газовой турбины [1].
В конечном счете, оценку многих возможных типов и конфигураций установок можно свести к определению стоимости энергии, вырабатываемой установкой при заданной скорости ветра.
Перспективные системы должны быть спроектированы с ветроприемником возможно меньшей массы, которые будут, вероятно, использовать для приведения их в действие не силу сопротивления, а подъемную силу, чтобы иметь большую быстроходность при больших значениях коэффициента использования энергии ветра. Преимущества, которые дают более устойчивые ветра, могут использоваться при размещении ВЭС в прибрежных водах.
1.2 Генераторные комплексы для ветроэлектростанций
ВЭC можно разделить на три группы: ВЭC, предназначенные для работы в автономном режиме; ВЭC, предназначенные для работы параллельно с другими автономными источниками питания; ВЭC, предназначенные для работы параллельно с энергосистемой [2].
Классификацию ВЭС можно осуществить по самым различным признакам и их сочетаниям. Однако для генераторов наиболее целесообразно рассмотреть классификацию с точки зрения степени автономности и методов управления.
К классу А относятся, как правило, ВЭС небольшой мощности (до 20 кВт), работающие автономно, и в ряде случаев обеспечивающие одного или небольшое количество потребителей.
К классу В относятся обычно ВЭС мощностью до 200 кВт, работающие совместно с дизельной электроустановкой (ДЭУ). В этом случае ВЭС может работать либо параллельно с ДЭУ, либо поочередно. В зависимости от районов, где установлена ВЭС и выполняемой задачи, ВЭС может быть использована для экономии дизельного топлива и в этом случае основным источником является ДЭУ. В другом случае, когда ветровая обстановка в течение года благополучна, основным источником является ВЭС. Однако в обоих случаях целесообразно, чтобы ВЭС допускало параллельную работу с сетью [2].
К классу С относятся ВЭС мощностью свыше 100 кВт, работающие параллельно с сетью, обеспечивающей общую экономию электроэнергии. Такие ВЭС зачастую группируются десятками, сотнями, а иногда тысячами параллельно включенными друг с другом и с сетью в ветроэнергетические станции.
Таким образом, генераторные комплексы ВЭС должны допускать параллельную работу как между собой и с другими автономными источниками электропитания, так и с электросетями.
Классификацию генераторных комплексов целесообразно осуществить по признаку работы их при постоянной (n=const) или переменной (n=var) частоте вращения [3].
Постоянство частоты вращения может быть обеспечено различными методами. Наиболее часто применяется метод поворота лопастей. Однако в ВЭС вполне возможны и другие известные методы приводов постоянной скорости [2].
Выбор устройства, в конечном счете, определяется его стоимостью, сложностью и надежностью в эксплуатации, поэтому в малых ВЭС (мощностью до 20 кВт) использование n=const бывает, как правило, неоправданно. При больших мощностях в каждом отдельном случае следует оценивать целесообразность использования методов получения n=const, при этом для ВЭС мощностью свыше 700 кВт работа при n=var, как правило, более предпочтительна. На рисунке 1.2 показана классификация генераторных комплексов, используемых в ВЭС.
Во всех классах ВЭС широкое применение получили как синхронные (СГ), так и асинхронные (АГ) генераторы.
В случае n=const использование АГ с короткозамкнутым ротором предпочтительно. Достоинства АГ широко известны: простота конструкции; высокая надежность в эксплуатации, что особенно важно в условиях ВЭУ; крупный серийный выпуск АД, на базе которых изготавливаются АГ; простое включение на параллельную работу с сетью и другими источниками электропитания.
Рисунок 1.2 – Классификация генераторов ВЭС
А, В, С, - классы ВЭC; АГ – асинхронный генератор; СГ – синхронный генератор; БС – балластное сопротивление; ВУ – выпрямительное устройство; СПЧ – статический преобразователь частоты; БСК – бесконтактный СГ; МДП – машина двойного питания.
При n=var, основной недостаток АГ – сложность регулирования делает их в большинстве случаев неконкурентно-способными с СГ, поэтому в этом случае наиболее широкое распространение получили СГ, работающие на статический преобразователь частоты (СПЧ), обеспечивающий постоянную частоту переменного тока питания потребителей при переменной частоте на входе.
СГ могут быть различного вида, но, как правило, бесконтактные: магнитоэлектрические с постоянными магнитами на роторе (МЭГ), бесконтактные – специальной конструкции (БСК), индукторные с когтеобразным ротором, с вращающимися выпрямителями (СГВ).

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5.1 В данном дипломном проекте была разработана ветроэлектростанция мощностью 20 кВт, которая позволяет снабжать электрической энергией автономных потребителей. Для выработки электрической энергии используется энергия ветра. Ветроэлектростанция нормально работает при скоростях ветра от 5 до 20 м/с.
5.2 При проектировании ветроэлектростанции были решены следующие задачи:
- выбрана конструкция ветродвигателя;
- синтезирована силовая схема и система автоматического управления
ветроэлектростанцией;
- выполнены чертежи и расчеты, подтверждающие надежность и
работоспособность конструкции.
5.3 Реализация системы автоматического управления ветроэлектростанцией на однокристальных программируемых логических устройствах либо на микроконтроллере позволит существенно повысить надежность и быстродействие системы.

6 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Д де Рензо «Ветроэнергетика», 376 с.
2 Радин В.И. «Генераторы переменного тока». – М, 423 с.
3 // «Энергетика изв. РАН». – 1993. – №7, 3 с.
4 // «Энергетика изв. РАН». – 1997. – №7, 12 с.
5 Шакарян Ю.Г. «Асинхронизированные синхронные машины». – М, 287 с.
6 Андриянов В.Н., Быстрицкий Д.Н. и др. «Ветроэлектрические станции», 242 с.
7 Бойко А.С., Высоцкий А.З., Галиченко Э.Н. «Редукторы и мотор-редукторы общепромышленного применения»; Справочник. – М, 415 с.
8 Чиликин М.Г., Сандлер А.С. «Общий курс электропривода» - М, 244 с.
9 // «Энергетическое строительство». – 1991. - №3, 21 с.
10 Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Адгонин В.И. «Асинхронные двигатели серии 4А»; Справочник. – М, 372 с.
11 Моин В.С. «Стабилизированные транзисторные преобразователи», 193 с.
12 www.downloads.com
13 www.infinecon.com
14 Герасимов В.Г. «Электротехнический справочник». – М, 174 с.
15 Алексеева И.Н. «В помощь радиолюбителю». – М, 189 с.
16 www.mitsubisi.com
17 Погостин В.М. «Трансформаторы малой мощности». – М, 312 с.
18 www.hawker.invensys.com
19 Горобец А.С. «Автоматические выключатели серии А3700». – М, 214 с.
20 // «Радиолюбитель». – 1996. - №7, 8 с.
21 www.analogdevice.com
22 www.hp.com
23 «Интегральные микросхемы: микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа». вып.1. – М. ДОДЕКА, 1996, 203 с.
24 http://web.tv.com.ru
25 // «Радио». – 2001. – №8, 7 с.
26 Голомедова А.В. «Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные приборы»; Справочник. – М, 184 с.
27 Лавриненко В.Ю. «Справочник по полупроводниковым приборам», 233 с.
28 Петровский И.И. «Логические ИС КР1533, КР1544»; Справочник. – М, 254 с.
29 // «Радио». – 2001. - №1, 14 с.
30 Батуев В.А. «Микросхемы и их применение». – М, 279 с.
31 Голубев В.С. «Справочник радиолюбителя конструктора». – М 251 с.
32 Найвельт Г.С. «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры»; Справочник. – М, 182 с.
33 «Экономическое обоснование дипломных проектов»; Методические указания / Составитель Садриев Д.С. 35 с.
34 Коновалова Л.Л., Рожкова Л.Д. «Электроснабжение промышленных предприятий и установок». – М, 226 с.
35 Долин П.А. «Основы техники безопасности в электроустановках», 287 с.