1 - Северо-Кавказский горно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГБОУ ВПО СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ
ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ)
Кафедра: «Э л е к т р о с н а б ж е н и е п р о м ы ш л е н н ы х п р е д п р и я т и й »
М.Т Бабаянц, Н.Е Цопанов
Нетрадиционные источники электроэнергии
Сборник лабораторных работ для студентов электромеханического
факультета очной и заочной формы обучения
Направление подготовки 13.03.02. «Электроэнергетика и электротехника»
Профиль подготовки «Электроснабжение»
Квалификация выпускника-Бакалавр
Владикавказ 2015
1
ВВЕДЕНИЕ
Задачи проведения лабораторных работ
1. Способствовать углублению теоретических знаний студентов по
нетрадиционным источникам электроэнергии.
2. Практически познакомить их с устройством ветроэлектростанций,
микроГЭС, солнечных электростанций, аппаратуры для их управления,
приборов контроля и другого электрооборудования.
3. Дать навыки студентам по составлению и монтажу электрических
схем и применению электроизмерительных приборов.
4. Научить студентов управлять нетрадиционными источниками
электроэнергии и устранять простейшие неисправности в них.
5. Развивать умение, теоретически объяснять и анализировать
результаты опытов и повышать интерес к постановке самостоятельных
исследований.
Правила выполнения лабораторной работы
и организация работы студента в лаборатории
На лабораторных занятиях студент закрепляет полученные им
теоретические знания и приобретает практические навыки по испытанию
электрических машин и монтажу схем управления. Для успешного
выполнения лабораторных работ студент должен готовиться к ним заранее,
пользуясь настоящим руководством и рекомендованной литературой.
Каждый, кто начинает работу в лаборатории, должен придерживаться
следующих правил:
1. Для лучшего освоения материала и наиболее эффективного
использования учебного времени в лаборатории каждый студент
предварительно знакомится с содержанием предстоящей работы, повторяет
соответствующий раздел теории.
2. Лабораторные работы должны выполняться бригадой в 2  3
человека. В процессе работы каждый член бригады выполняет
определенные обязанности, которые периодически меняются, так как
только в этом случае все студенты смогут получить необходимые навыки и
знания.
3. Приступая к занятиям, каждый студент должен иметь дневник
проведения лабораторных работ, в котором вычерчивается схема опыта,
записываются программа работы, необходимые расчетные формулы и
таблицы для внесения в них опытных и расчетных данных и не менее
2
одного экземпляра настоящего руководства на бригаду.
4. Перед началом занятия преподаватель проверяет знания студентов и
их готовность к выполнению работы.
5. В соответствии с программой испытаний студенты в процессе
работы производят все необходимые измерения и расчеты, снимают
опытные данные и сравнивают их с расчетами. Результаты опыта
проверяются и визируются преподавателем, если они окажутся
неудовлетворительными  опыт следует повторить.
6. Приступив к сборке схемы, нужно стремиться расположить
аппаратуру и измерительные приборы таким образом, чтобы собранная
схема была по возможности простой и удобной для наблюдения. При
сборке схемы следует, в первую очередь, соединить главную
(последовательную) цепь машины, а затем все параллельные. Контакты и
соединения проводов должны быть надежными. Следует помнить, что
отыскание нарушенного контакта в схеме отнимает гораздо больше
времени, чем тщательная сборка ее. Включать схему под напряжение
можно лишь после проверки ее преподавателем и с его разрешения.
Категорически запрещается всякое пересоединение элементов схемы под
напряжением, а также прикосновение к неизолированным частям машины
и клеммам, находящимся под напряжением. Во время опытов студенты
должны внимательно следить за тем, чтобы токи и напряжения в цепях не
превышали величин, рекомендуемых в описании работы. После окончания
работы студенты обязаны привести в порядок рабочее место (разобрать и
сложить провода, убрать со столов посторонние предметы, поставить
приборы и стулья на место и т. д.).
7. К каждому следующему занятию студент представляет отчет по
предыдущей работе и защищает его. Отчет выполняется в общей тетради
каждым студентом отдельно в соответствии с требованиями,
приведенными в описании, и должен содержать: а) цель работы, б)
электрические схемы испытаний, в) эскизный чертеж испытуемого объекта,
г) программу работы, д) экспериментальные исследования, е) основные
расчетные формулы, ж) таблицы опытных и расчетных данных, з) графики
и краткие пояснения к ним.
Все отчеты должны сопровождаться краткими пояснениями,
свидетельствующими о сознательном применении расчетных зависимостей
и методов построения характеристик машин. Графики и схемы
вычерчивают тщательно. Лабораторная работа считается защищенной, если
отчет выполнен аккуратно с правильными результатами, а студент хорошо
ответил на поставленные ему вопросы, обнаружив знание конструкции
электрической машины, физических процессов, происходящих в ней, и
3
методики испытания.
8. Студент не допускается к лабораторной работе, если он не имеет
дневника, не защитил отчет по предыдущей работе или не подготовился к
новой.
9. Студенты должны бережно относиться к оборудованию
лаборатории. За порчу столов, измерительных приборов и аппаратуры,
происшедшую по вине студентов, последние несут материальную
ответственность.
10. Перед началом работ в лаборатории все студенты обязаны
ознакомиться с правилами техники безопасности при работе с
электротехническими установками и расписаться в журнале, хранящемся у
заведующего лабораториями.
Техника безопасности при выполнении лабораторных
работ
При выполнении лабораторных работ по электрическим машинам
студент должен помнить, что испытания проводятся при напряжениях до
380 В. При неблагоприятных условиях опасные поражения электрическим
током могут произойти даже при напряжении 50 В. Поэтому во время
работы студенты должны быть внимательны, аккуратны и строго
соблюдать правила безопасности при работе в электротехнических
установках.
1. Категорически воспрещается касаться руками неизолированных
проводов, закреплять зажимы, менять проводники или приборы, когда цепь
находится под напряжением.
2. Во избежание аварий, возможных при неправильной сборке схем,
напряжение подается только по разрешению преподавателя (лаборанта).
3. Всякие изменения в схеме должны выполняться при полном снятии
напряжения.
4. При работе с электрическими машинами ни в коем случае нельзя
прикасаться к вращающимся частям. Следует помнить, что свободные
части одежды могут быть захвачены машиной.
5. Категорически запрещается тормозить рукой или ногой вал машины
даже в том случае, если она отключена и еще вращается по инерции.
6. По окончании работы схема разбирается, провода, приборы,
инструменты, литература сдаются лаборанту, рабочее место приводится в
надлежащий вид.
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
Исследование фотоэлектрической комплектной электростанции
"Одиссей"
1. ОБЩИЕ ДАННЫЕ И СОСТАВ ИЗДЕЛИЯ
Система Одиссей предназначена для питания электропотребителей при
отсутствии централизованного электроснабжения, и не требует никаких
энергоносителей, кроме солнечного света. Использование в пасмурные дни
уменьшает количество произведенной электроэнергии.
Техническое исполнение, масса и габариты изделия не вызывают
трудностей при транспортировке и позволяют эксплуатировать его не только в
полевых, но и в морских и речных условиях, на лодках и яхтах. Система
"Одиссей" включает в себя солнечную панель, аккумуляторную батарею,
электронным блок и комплект нагрузок. Комплект нагрузок формируется самим
потребителем, кроме люминесцентной лампы. Для подключения нагрузок к
электронному блоку в комплект поставок входят кабели с разъемами. В
комплект нагрузок может быть включен телевизор, магнитофон, радиоприемник,
электробритва, радиостанция, радиотелефон, светильники и т.п.
ВНИМАНИЕ!!! Мощность и напряжение нагрузок не должны превышать
номиналов, указанных в разделе 3.3. К гнезду "Свет" можно подключать только
люминесцентную лампу, входящую в комплект подставки. Подключение
стандартных светильников разрешается к гнездам "220 В" и "12 В".
Кроме того система "Одиссей" позволяет производить зарядку автомобильных аккумуляторов и дает возможность иметь в автомобиле постоянное
напряжение 9В и переменное 220 В - 50 Гц.
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ.
Солнечная панель преобразует энергию солнечного света в электрическую
постоянную тока и заряжает через электронный блок аккумулятора батарею.
Электронный блок производит контроль режима заряда. Подключение нагрузок
к электронному блоку возможно как в процессе заряда (днем), так и ночью,
когда питание нагрузок производится от аккумуляторной батареи.
5
ВНИМАНИЕ!!! В процессе заряда запрещается пользоваться нагрузками
от гнезда "Свет" и "220 В".
3.ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ "ОДИССЕЙ"
3.1.Аккумуляторная батарея.
Аккумуляторная батарея герметична и при работе и при хранении не
выделяет газ в электролит. Батарея заказчику поставляется заряженной.
Емкость батареи
- 10АЧ
Напряжение
- 12В
Масса
- 6кг
3.2.Солнечная панель.
Солнечная панель сделана в ударопрочном и влагозащитном исполнении и
сохраняет свою работоспособность при падении с высоты 0,5 метра.
Мощность
- 20 Вт
Габариты в сложенном положении - 325 х 370 х 60 мм
Габариты в развернутом положении -1250 х 370 х 15 мм
Температура работоспособности - от -25 С до +75 С
Масса
- 7 кг
Срок службы
- 10 лет
3.3.Электронный блок.
Электронный блок выполнен в алюминиевом корпусе и выдерживает
падение с высоты 0,5 м. При попадании влаги блок рекомендуется
предварительно высушить перед эксплуатацией. Помимо контроля
заряда аккумуляторной батареи электронный блок контролирует процесс
разряда с отключением нагрузок при разряде (аккумуляторной батареи)
АБ, а также формирует ряд напряжений для питания потребителей (9В,
12В, 220В, 50Гц). Разъём "Свет" служит для питания люминесцентной
лампы. На лицевой панели блока два светодиода дают визуальную информацию
и степени заряда АБ. Полностью заряженная AБ - зеленый светодиод; 50%
заряда - зеленый и красный с одинаковой интенсивностью; красный светодиод –
10%.
Напряжение на аккумуляторной батарее, при котором отключаются
нагрузки - 10,3 ... 10,5 В.
6
Максимально допустимые мощности нагрузок:
от гнезда 12 В
- 30 Вт
от гнезда 9 В
- 7 Вт
от гнезда 220 В, 50 Гц
- 30 ВА.
Гнезда "12 В" и "220 В", 50 Гц защищены предохранителями на 3А, расположенными на задней станке блока.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Фотоэлектрическая станция (солнечная батарея) преобразовывает энергию
видимого солнечного света в электрическую и через преобразователь
производит заряд аккумулятора. Аккумулятор позволяет пользоваться
источником питания не только в дневное, но и в ночное время. Преобразователь
осуществляет контроль заряда и разряда аккумулятора и дает ряд напряжений
для подключения различных маломощных бытовых электроприборов.
В процессе заряда аккумуляторной батареи от 0% до 100% ее емкость
последовательно реализуется 3 режима работы:
1.заряд при постоянном напряжении;
2.импульсный режим заряда;
3.режим подразряда.
Заряд при постоянном напряжении происходит от 0 до 50+70% емкости
аккумуляторной батареи. Напряжение от солнечной и аккумуляторной батарей
поступает на сравнивающий узел, собранный на транзисторах VT1 и VT4.
величиной переменного резистора R6, определяющего потенциал эмиттера V Т1,
и VД1, определяющего потенциал базы VT1, задается уровень постоянного
напряжения, до которого будет заряжаться аккумуляторная батарея (VT4
закрыт). Терморезистор R3 в цепи коллектора VT1 компенсирует влияние
температуры на зависимость напряжения от емкости аккумуляторной батареи.
Если аккумуляторная батарея разряжена более чем на 50%, то VT1 открыт, a
VT4 закрыт. Сигнал с коллектора VT1 поступает на базу VТ3, отпирает
транзистор VT2 и через него и VД12 происходит заряд аккумуляторной батареи.
По мере заряда аккумуляторной батареи изменяется напряжение на эмиттер базе VT1. VT1 и VТ2 призакрываются, ток заряда уменьшается. При достижении
напряжения на аккумуляторной батарее, соответствующего 50 + 70% полной
емкости, схема переходит в импульсный режим. Реализация, этого режима
осуществляется посредством следующих элементов: компаратора DА1 и
7
транзистора V T4 . Постоянный сигнал, с делителя VDl, R l подается на один
вход компаратора ДAl. Ha другой вход Д А1, сигнал подается с делителя R12,
R1 и является отражением напряжения на аккумуляторной батарее. При достижении на аккумуляторное батарее определенного напряжения на выходе
компаратора DА1 появляется сигнал, отпирающий транзистор VT4. Транзисторы
VT1, V T2 , VТЗ запираются. Ток заряда протекает по цепи R, VD2 , VD12,
величина которого составляет 0,01 емкости аккумуляторной батареи. При малом
токе заряда напряжение на аккумуляторной батарее начинает уменьшаться и при
достижении нижнего предела, заданного на компараторе DА1, DА1
перебрасывается, VТ4 закрывается, а VТ1, VТ2, VТ3 открываются. При этом ток
заряда увеличивается до 0,6+1 емкости аккумуляторной батареи. Этот ток
протекает до тех пор, пока напряжение аккумуляторной батареи не достигнет
верхнего предела уставки. Импульс прекращается, и аккумуляторная батарея
заряжается малым током. По мере роста заряженности аккумуляторной батареи
длительность импульсов уменьшается, а длительность заряда малым током
увеличивается. При достижении величины заряженности аккумуляторной
батареи, близкой к 100%, напряжение на батарее не достигает минимума уровня
уставки и схема переходит в режим подзарядки.
При этом VТ1, VТ2, VT3 закрыты, a VТ4 открыт. Ток протекает по цепи:
фотоэлектрическая станция, R2 , VD12, аккумуляторная батарея. Этот режим
предназначен для компенсации саморазряда аккумуляторной батареи и
обеспечения энергией преобразователя на собственные нужды.
Контроль разряда аккумуляторной батареи осуществляется следующим
образом. На один вход сравнивающего компаратора ДА2 подается стабильное
напряжение с делителя R 16 +VД4, а на другой вход - с делителя R14+R15,
отражающего уровень напряжения аккумуляторной батареи. При достижении
заданного минимально допустимого напряжения на аккумуляторной батарее
(10В) на выходе компаратора ДА2 появляется сигнал, поступающий на базу
транзистора V T5 .VТ5 закрывается и обесточивает реле К1, которое контактами
Kl:1 разрывает цепь питания потребителей.
Заряд аккумуляторной батареи осуществляется автоматически и
регулируется преобразователем с соответствующей индикацией цветными
светодиодами. Индикация уровня заряженности аккумуляторной батареи
осуществляется частью схемы, выполненной на транзисторах VT6, VТ7 и
светодиодах VД6, VД7. На базу транзистора VT7 поступает постоянный сигнал с
делителя R2 5 + VД8, а на базу - VT6 с делителя R 22+R 23, отражающего
8
величину напряжения на аккумуляторной батарее и уровень ее заряженности.
При 100% заряженности аккумуляторной батареи светится зеленым цветом
светодиод VД6, а красный VД7 не светится. При этом VT6 открыт, a VT7 закрыт.
По мере разряда аккумуляторной батареи напряжение на базе Т6 уменьшается, а
потенциал на базе VT7 увеличивается. При 50% разряженности аккумуляторной
батареи светятся с одинаковой интенсивностью оба светодиода VД6 и VД7. При
20%-ном заряде аккумуляторной батареи светится только красный светодиод
VД7. Уровень регулируется потенциометром R23.
Преобразование напряжения 12В в 220В, 50Гц для питания потребителей
осуществляется следующим образом. Задающий генератор собран на базе
компаратора ДA3, который генерирует напряжение прямоугольной формы с
частотой 100Гц. Это напряжение поступает на вход триггера DD1, и делится на 2
канала с частотой 50Гц в каждом. Эти 2 сигнала поступают на каскады
предварительного усиления, которые собраны на транзисторах VT8 и VT10.
После предварительного усиления сигналы поступают на базы транзисторов
VT9 и VT11 силовых каскадов. Силовой каскад собран по полумостовой схеме с
нулевой точкой в нагрузке (TV1). С вторичной обмотки трансформатора T Vl
снимается напряжение 220В, 50Гц. Частота задающего генератора выставляется
потенциометром R 30. Кроме напряжения - 12 В и ~ 220 В, 50 Гц источник
питания выдает стабилизированное напряжение 9В. Необходимый уровень
стабилизации определяется стабилизатором VД11. Сигнал с VД11поступает на
базу транзистора VТ13, который в свою очередь отпирает до необходимого
уровня транзистор VT12, с коллекторной цепи которого снимается напряжение
9В. Диод VД12 делает схему стабилизатора устойчивой к режиму короткого
замыкания.
МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ
В преобразователе имеется опасное для жизни напряжение 220В. Во
избежание несчастных случаев запрещается включать преобразователь со снятой
крышкой.
На задней стенке преобразователя расположены 2 предохранителя для
защиты цепей переменного тока (2203,50Гц) и постоянного тока (12В) от режима
короткого замыкания.
Перед заменой предохранителей в преобразователе не забудьте вынуть
пилку из розетки "ФЭС".
Не применяйте самодельные предохранители.
9
Не оставляйте без присмотра включенными нагрузки.
Не эксплуатируйте источник питания вблизи легковоспламеняющихся веществ и материалов.
Источник питания и нагрузки должны быть защищены от атмосферных
осадков.
После перевозки в дождливую погоду источник питания "Одиссей" перед
включением надо просушить.
4.ПОРЯДОК РАБОТЫ С СИСТЕМОЙ "ОДИССЕЙ".
Процесс заряда
4.1. Развернуть солнечную панель, откинуть ножки и направить её
рабочей поверхностью перпендикулярно Солнцу. Соединить проводами четыре
блока панели между собой. К крайним выходным клеммам «+» и «-»
подсоединить кабель 1, черным проводом на клемму "+". Наконечники проводов
не должны контактировать с металлическим корпусом солнечной батареи.
ВНИМАНИЕ!!! Необходимо строго соблюдать указанную полярность.
Рабочая поверхность панелей не должна затеняться. Это значительно снижает
эффективность заряда. Аккумуляторную батарею и электронный блок
необходимо затенять от прямых лучей Солнца.
4.2. Другой конец кабеля 1 подключить к гнезду "ФЭС" электронного
блока.
4.3. Подключить кабель 2 к гнезду "АБ" на задней панели электронного
блока. Другой конец кабеля 2 подключить к аккумуляторной батарее черным
проводом на «+» АК, а белым «-».
ВНИМАНИЕ!!! Необходимо строго соблюдать указанную полярность.
4.4. Нажмите клавишу "ВКЛ" на лицевой панели электронного блока. С
этого момента начинается процесс заряда. Все остальные стадии заряда
регулируются автоматически электронным блоком.
4 . 5. По мере движения Солнца необходимо ориентировать рабочую
поверхность панели на него. В яркий солнечный день летом достаточно 3-х
кратной ориентации панели для полной зарядки АБ за световой день.
4 . 6. Вечером, после захода солнца, необходимо отключать клавишу"ВКЛ"
и извлечь кабель 2 1 из гнезда "ФЭС" лицевой панели электронного блока.
4.7. В процессе заряда можно пользоваться для подключения нагрузок от
гнезда “9”, B-2.
10
ВНИМАНИЕ!!! Использование гнезда "220" и"СВЕТ" в процессе заряда не
допускается.
4.8. В процессе заряда горит только зеленый светодиод на лицевой панели
блока.
4.9.Процесс подготовки к транспортировке системы "Одиссей" выполняется в обратном порядке.
ПОРЯДОК ПОДКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗОК К ЭЛЕКТРОННОМУ БЛОКУ
4 . 10. Для подключения нагрузки с напряжением 12 В постоянного тока
необходимо подключить кабель 3 к гнезду "12В" на лицевой панели блока.
Другой конец кабеля должен быть подключен к нагрузке (черный провод -" ", а
белый "
"). После чего нажмите клавишу "ВКЛ". Гнездо "12В" защищено
предохранителем (3 А) на задней панели блока. Максимально допустимая
мощность нагрузки - 30Вт.
4.11. Подключение нагрузок на 9В постоянного тока производится кабелем
4 с гнезда "9"В. Другой конец кабеля 4 должен быть подключен к нагрузке
(черный провод " ",белый " "). Нажмите клавишу "ВКЛ'', после чего клавишу
"9"В. Максимальная нагрузка - 7Вт.
4.12. Подключение нагрузок переменного тока 220В, 50Гц производится к
розетке 220В на лицевой панели блока с помощью стандартной вилки. Порядок
включения следующий: нажмите клавишу на лицевой панели блока "220В' после
чего нажмите клавишу "ВКЛ" и включите вилку нагрузки. Отключение - в
обратном порядке. Максимальная нагрузка - 30ВА.
4.13 .Подключение люминесцентной лампы производится ее кабелем к
гнезду "Свет" на лицевой панели блока. После чего включите клавишу "220",
потом клавишу "BКЛ" и после этого клавишу "Свет". Отключение - в обратном
порядке. Гнезда "220" и "Свет" защищены предохранителем (ЗА) на задней
панели электронного блока.
ВНИМАНИЕ!!! При нарушении последовательности включения возможно
отключение электронного блока. Для ввода его в работу надо произвести
отключение клавиш "ВКЛ" и снова произвести включение в указанном порядке.
4.14. Емкость аккумуляторной батареи при питании нагрузок можно
оценить по свечению светодиодов:
горит только зеленый - 100% заряженности;
горит зеленый и красный - 50%' с одинаковой яркостью;
11
горит красный - 0...10%
4 . 15. При разряде аккумуляторной батарей до 10,3...10,5 3 электронный
блок автоматически отключает нагрузку, что предохраняет аккумуляторную
батарею от выхода из строя.
4.16. Система "Одиссей" позволяет производить зарядку аккумулятора
автомобиля. Для этого необходимо .соблюдая полярность, кабель 2 подключить
к автомобильному аккумулятору, вместо штатного. Все остальные операции
производятся согласно вышеприведенной инструкции.
4.17. Оставить кабель 2, подключить к автомобильному аккумулятор и
отключить кабель 1 вместе с солнечной батареей, можно подключить нагрузки к
электронному блоку, как указано выше. Таким образом, можно иметь в
автомобиле свою систему напряжений от электронного блока.
5.ПОРЯДОК ОБСЛУЖИВАНИЯ
Аккумуляторная батарея и электронный блок в обслуживании не
нуждются .Рабочая поверхность солнечной батареи должна регулярно
очищаться влажной тканью. При длительном перерыве в эксплуатации
необходимо производить подзарядку АБ с периодичностью 1 раз в 2 месяца.
6.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Пользование солнечной панелью, аккумулятором и гнездами "2" и
электронного блока опасности не представляют. Необходимо соблюдать
осторожность при пользовании гнездами "220В" и "Свет" электронного блока.
12
Рис 2. Схема электрических соединений
А2 – Батарея аккумуляторов 10НКГ – 10D
А1 – Батарея солнечная «Утес»
А3 – Преобразователь
А4…А7 – нагрузки: телевизор малогабаритный 12 В, 8Вт; радиоприемник
9В, 2Вт; светильник люминесцентный ~ 220В, 13Вт; электробритва ~ 220В,
10Вт
13
Рис 1. Схема электрическая принципиальная ФЭС «Одиссей»
14
Лабораторная работа №2
«Исследование ветроэлектростанции ВЭС-2.»
1. Общие сведения.
Энергия 5-го океана - так нередко называют воздушный океан - колоссально.
По подсчетам ученых, ветер может дать в 3000 раз больше энергии, чем
человечество получает сейчас из угля, сжигаемого во всем мире.
Отличительной деталью Голландского пейзажа издавна является ветряная
мельница. Их там много тысяч, в большинстве случаев они применяются для
откачки воды.
Ученые составили карту ветроресурсов нашей страны. Более чем над 2/3
ее территории ветры дуют со среднегодовой скоростью в 5 и более м/с.
Это обеспечивает 200-250 рабочих дней ВЭС в год.
В Англии есть ветряная мельница, построенная в 1665г. Несмотря на
свой возраст, она работает и сейчас.
Ƞ ВЭС > 59-69%
(больше не может).
Это ветродвигатель Д -18 при V = 8м/с мощность Д О Р Н = 27кВт. Его
ветро - колесо имеет 3 лопасти с n=70 об/мин.
В нашей стране самый мощный быстроходный ветродвигатель имел
Р=100кВт в 1931г. Потом был разрушен немцами.
Самой мощной в мире ВЭС в Америке установка в штате Вермонт /в США/
в 1941г.
Это 2-х лопастной винт с Д= 53м мог выдержать скорость до V
=62м/с. Она стоит на вершине холма с VВ ≥ 13 м/с , с Р Н =1250кВт. 0дин
раз за 143 часа непрерывной работы дала в сеть А=81780кВт/час Э/Э.
2. Принцип работы ветроколеса ВЭС.
Скорость ветра выражается длиной пути, которую проходят
частицы движущего воздуха за 1 секунду. На рис. 1
схематически
изображена лопасть ветроколеса и воздействие на нее воздушного потока.
Стрелки на рисунке указывают направление, величины сил и скорость,
действующих на лопасть. Лопасть всегда ставится под некоторым углом
к плоскости вращения ветроколеса. Скорость ветра V, направленная по
оси ветроколеса, перпендикулярна к плоскости его вращения. Направление и
величина скорости V показаны прямой линией со стрелкой. При вращении
15
ветроколеса каждое поперечное сечение лопасти двигаются с разной
окружной скоростью U, тем большей, чем дальше отстоит сечение от оси.
Скорость движения лопасти представлена на рисунке стрелкой и в том же
масштабе, число и скорость ветра V.
Рис.1 Схема действия воздушного потока на ветроколесо.
а - перспективный вид лопасти /сзади/,
б - вид лопасти и действующих на нее скоростей и сил /в плане/.
Пересечем лопасть в каком-либо поперечном сечении плоскостью, перпендикулярной оси лопасти, например АБВГ. Предположим, что лопасть начнет
вращаться с окружной скоростью U . Тогда на вращающуюся лопасть
будет действовать сила ветра с той же скоростью, но в противоположную
сторону. Эта скорость - U будет складываться со скоростью ветра V и
образует по величине и направлению суммарную скорость W воздушного
потока, набегающего на лопасть. Величина W - это относительная
скорость ветра и равна диагонали параллелограмма, сторонами которого
являются скорости V и U . α
Угол, образованный относительной скоростью W с плоской стороной лопасти, называется углом атаки лопасти и обозначается буквой α. Сила
давления ветра на лопасть зависит от величины площади лопасти, от
величины утла атаки - α
и от величины относительной скорости
воздушного потока W. Чем больше ширина лопасти, т.е. ее площадь, чем
больше угол атаки и чем больше скорость ветра, тем больше сила его
давления - Y.
Разложим силу Y на две составляющие, для чего на стрелке Y , как на
диагонали, построим прямоугольник, одна сторона которого параллельна
16
оси ветроколеса 00 ,а другая - параллельна плоскости вращения ветроколеса
ОХ Сторона прямоугольника Q изображает полезную силу, вращающую
ветроколесо а сторона Р представляет силу осевого давления на
ветроколесо. Работа, совершаемая ветроколесом в 1с, т.е. его мощность,
равна сумме работ всех сечений всех лопастей, причем мощность каждого
сечения равна силе Q, умноженной на величину окружной скорости U-того
сечения.
Для того, чтобы ветроколесо давало наибольшую мощность, углы
заклинения лопастей φ должны иметь наивыгоднейшую, переменную по
длине лопастей величину, чтобы получить наивыгоднейший угол атаки α.
Однако при выборе величины угла φ приходится учитывать, что больший
угол φ создает начальный момент вращения ветроколеса, т.е.
ветродвигатель начинает работать при меньшей скорости ветра. Это
важно для быстроходных двигателей, имеющих малое число узких лопастей
и образующих поэтому малой величиной крутящего момента и
относительно большой пусковой скоростью ветра. Например, у ВЭ-2 этот
угол φвыбран на расстоянии 0,8 м от оси вращения и равен φ=11° .
3.Расчет и выбор мощности генератора ВЭС.
Электрический генератор, требует от приводного двигателя
большую скорость вращения, не требует вместе с тем для пуска большого
крутящего момента. Поэтому для привода генераторов обычно используют
быстроходные ветродвигатели, имеющие малое число лопастей и благодаря
большому числу оборотов непосредственно соединить двигатель с
генератором на одном валу. Быстроходные ветродвигатели имеют, кроме
того, по сравнению с тихоходными многолопастными, малый вес и
стоимость их меньше. Степень быстроходности ветроколеса оценивается
отношением окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.
Это отношение называется числом модулей ветроколеса и обозначается
буквой Z .
1). Для быстроходного агрегата ВЭ-2 величина Z равна:
𝑈𝑘
𝑍=
=8
𝑉
В результате действия ветра на лопасти поток воздуха, проходящий
через
площадь ветроколеса, отдает свою мощность ветроколесу.
2). Мощность Р потока воздуха определится по формуле:
17
𝑃=
0.481∙Д2 ∙𝑉 3
1000
, кВт
где Д - диаметр воздушного потока (т.е.диаметр ветроколеса), м;
V - скорость ветра, м/с.
Но часть мощности Р, теряемая вследствие расширения потока воздуха и
уменьшения скорости ветра перед ветроколесом. Потери мощности
происходят также из-за трения лопастей о воздух и струек воздуха друг от
друга. Поэтому полезная мощность воздушного потока составляет только
20-40% полной мощности
в зависимости от формы и качества
изготовления лопастей. Число, показывающее, какая часть мощности
воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется
коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой
буквой – ζ
3). Таким образом, мощность на зажимах генератора будет равна:
𝑃ген =
0.481∙Д2 ∙𝑉 3 ∙𝜁∙𝜂ген
1000
, кВт
Следовательно, при увеличении скорости ветра в 2 раза мощность на валу
генератора увеличится в 23= 8 раз; при изменении диаметра ветроколеса в 2
раза мощность при той же скорости ветра изменится в 22 = 4 раза.
Мощность ветроколеса не зависит от числа лопастей. При увеличении числа
лопастей и том же диаметре ветроколеса увеличивается его момент
вращения, но число оборотов соответственно уменьшается. Врезультате
мощность остается прежней.
4.Назначение и техническая характеристика ВЭ-2.
Ветроэлектрический агрегат ВЭ-2 предназначен для зарядки
электрических аккумуляторов, питающих сельские радиотранспортные
узлы типа КРУ-2 и КРУ-10.
Применяется ветроагрегат для снабжения электроэнергией отдельных
мелких потребителей: для освещения небольших помещений (частных домов,
правлений колхозов, колхозных полевых станов).
Техническая характеристика ВЭС-2
1.Диаметр ветроколеса, м - 2
2.Высота от земли, м
-8...16
3.Высота хвоста, м - 1,8
18
4.Частота вращения ветроколеса, об/мин - 280...700
5.Быстроходность ветроколеса - 8
6.Номинальная мощность генератора, Вт - 130
7.Номинальное напряжение, В - 12...14
8.Скорость ветра, необходимая для начала вращения, м/с - 5
9.Масса ветроагрегата, кг - 50
5.Принципиальная электрическая схема ВЭ-2.
На рис. 2 представлена электрическая схема ветроагрегата ВЭ-2.
Напряжение генератора 1 подается по гибкому шлангу к переходной
коробке 2, установленной на столбе и далее через плавкие предохранители 3
на выпрямитель 4. Выпрямленное напряжение поступает через
переключатель 5 к той из двух аккумуляторных батарей, которая в данное
время заряжается. От другой через тот же переключатель питается в это
время нагрузка. В другом положении переключателя заряжается вторая
батарея, а питание узла производится от первой батареи.
Агрегат будет заряжать батарею только до тех пор, пока
напряжение генератора больше напряжения батареи.
В случае когда Uбат >Uген ,то может произойти разряд батареи на
генератор. В случае применения генератора постоянного тока для защиты
батарей от разряда на генератор пришлось бы ставить реле обратного
тока. При работе генератора переменного тока с выпрямителем последний
не допускает разряда батареи на генератор, так как обладает свойством
пропускать ток только в одном направлении.
Параметры батареи и генератора могут проверяться с помощью
измерительного прибора 7 с переключателем 8.
Для питания радиоузлов обычно применяются кислотные свинцовые
аккумуляторы автомобильного типа (стартерные) или радиоканальные на
U=12B. Для радиоузлов КРУ-2 применяются батареи емкостью 50...60
А/час, а для радиоузла КРУ-10 также аккумуляторы, но емкостью до 128
А/час. Принципиальная электрическая схема электрощитка показана на рис.
3. Щиток состоит из выпрямителя б для преобразования трехфазного тока
в постоянный ток напряжением 12...14 В, вольтметр 7 и амперметр
8.установленный в цепи аккумуляторной батареи. Щиток подает
напряжение с помощью 3-х полюсного выключателя 10. Однополюсный
выключатель 12 выключает нагрузку. Аккумуляторная батарея защищена
переключателем 5 на Iвст = 20А. Генератор защищен
тремя
предохранителями 3 на 10 А, устанавливаемых на стене.
19
Рис. 2 Принципиальная электрическая схема ветрогенератора ВЭ-2
где 1-генератор, 2-переходная коробка, 3-предохранители, 4-выпрямитель, 5переключатель, 6-батареи, 7-измерительный прибор, 8-переключатель прибора.
Рис. 3 Принципиальная электрическая схема распределительного щитка:
где 1-генератор, 2-переходная коробка, 3-предохранители, 4-6 - панели для
крепления,
5 - предохранитель, 7 - вольтметр, 8 - амперметр, 9 - зажимы для
подсоединения аккумуляторной батареи, 10 - рубильник, 11- К Н О П О Ч Н ая
станция, 12 - однополосный переключатель.
20
6.Выбор оптимального количества ВЭ-2.
Потребность в электрической энергии (из расчета ежедневной работы
узла в течение 11 часов и среднего потребления во время работы узла КРУ 2 0,8Ач и КРУ-10 - 3А при напряжении U=12B ) дает следующие величины
Для КРУ-2
𝑊1 =
12Вольт ∙ 0,8Ампер ∙ 11часов ∙ 30дней
= 4,6кВт ∙ ч/мес
0,7 ∙ 1000
или 4,6 х 12 = 55 кВТ∙ч/год.
Для КРУ-10
𝑊2 =
12В ∙ 3А ∙ 11ч ∙ 30дней
= 17,2кВт ∙ ч/мес
0,7 ∙ 1000
или 17,2 х 12 = 205 кВт∙ч/год.
где 0,7 - средний эксплуатационный коэффициент полезного действия
кислотных аккумуляторов.
Из сопоставления графиков возможной выработки агрегата ВЭ-2 по
месяцам
и потребление энергии для зарядки аккумуляторов видно, что в зимнее
время большая часть выработки ветрогенератора является избыточной и
используется для освещения и других целей.
В летнее время, когда скорости ветра и соответственно выработка
ветроагрегата сильно уменьшаются, электроэнергии от агрегата ВЭ-2
хватает только для питания аппаратуры радиоузла, причем полностью
только для КРУ-2.
Для узлов КРУ-10 энергии от агрегата ВЭ-2 в летние месяцы хватает
только при среднегодовых скоростях ветра более 5 м/с, что бывает
сравнительно редко. Чтобы этот радиоузел работал без простоев,
аккумуляторы нужно либо подзаряжать в это время, либо установить два
агрегата
ВЭ-
21
7.Шкала для приблизительного определения скорости и силы ветра.
Таблица 1
Баллы
0
Скорость ветра,
м/с
0
Характеристика
силы ветра
Штиль
0,5
1,5-3
Тихий ветер
Едва заметно шелестят листья
1
4-5
Легкий ветер
Движение листьев деревьев
2
6-7
3
8-9
4
10-11
Сильный ветер
5
12-14
Крепкий ветер
6
15-16
7
17-19
Очень крепкий
ветер
Буря
8
20-23
Сильная буря
9
24-28
10
29-33
Очень сильная
буря
Сильный шторм
11
34-З9
1
40-50
Видимые признаки (действие)
Полное отсутствие ветра
Умеренный ветер Полощется флаг, качаются мелкие ветки
деревьев
Свежий ветер
Качаются верхушки деревьев
Завывание ветра в трубах ,качаются тонкие
стволы деревьев
Листья и ветки обрываются, на стоячей воде
поднимаются волны с опрокидыванием гребней
Качаются деревья, затруднено передвижение
против ветра
Толстые сучья ломаются, сдвигается с места
черепица на крышах
Сучья раскалываются
Сосны вырываются с корнем
Деревья ломаются
Жестокий шторм Разрушительное действие
Ураган
Опустошительное действие
2
22
Лабораторная работа № 3
Расчет и выбор основного оборудования малых и микро ГЭС.
1. Обще задачи использования водной энергии.
Использование гидроэнергетических ресурсов имеет ряд технических и
экономических преимуществ перед использованием других энергоресурсов (уголь,
нефть, природные газы и др.). Преимущества сводятся к следующему: (1)
1.Гидроэнергия не испаряется с течением времени и непрерывно
восстанавливается под воздействием энергии солнца путем испарения воды с
поверхностей морей, океанов и др.
2.Использование гидроэнергии позволяет сократить потребление топлива и
обратить его для привода в действие нестационарных двигателей, а также нужд
химической промышленности.
3.Себестоимость 1кВт∙ч электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС составляет в
среднем 0,1-0,2 коп., а для большинства крупных ГЭС Сибири - 0,04 - 0,05
коп/кВтч, то есть, энергия, вырабатываемая гидроэлектростанциями, в 8...10 раз
дешевле энергии тепловых станций. Поэтому капиталовложения окупаются в течении 5...10 лет.
4.На выработку электроэнергии на гидростанциях требуется в 15...20 раз меньше
рабочей силы, чем для выработки того же количества электроэнергии на
тепловых станциях.
5. Гидроэлектростанции
обладают
высокой
маневренностью
и
гибкостью
в
работе,
т.к.
гидроагрегаты
в
течение
0,5...1,0
мин могут быть приведены в действие и принять нагрузку.
6.Расход электроэнергии на собственные нужды на ГЭС составляет 0,3...0,5%,а на
тепловых 8,..10 % от производимой энергии.
7.По сравнению с тепловыми гидроагрегаты имеют более высокий коэффициент
полезного действия (КПД). Т.к. КПД современных гидротурбин при лучшем
режиме их работы составляет 92...95%,а агрегата в целом до 90 %.
8.Так как на гидроэлектростанциях значительно меньше аварийность и износ
оборудования, то они более надежны в эксплуатации, чем тепловые.
9.Возможность получения гидроэнергии в больших количествах с низкой
стоимостью.
Но имеется ряд недостатков:
1.Неравномерность стока рек в зависимости от времени года.
23
2.Удаленность некоторых водотоков от промышленных центров.
3.Большая трудоемкость и стоимость строительных работ.
1
Наша Родина (Бывший СССР) обладала 11,4 % мировых запасов водной энергии.
Потенциальная мощность больших и малых рек СССР в средний по водности год
составляет 494млч кВт с годовой выработкой 3000 млрд.кВтч электроэнергии.
2. Схемы и виды ГЭС.
Создание напора можно осуществить разными
зависимости от этого различают три основные схемы гидроустановок:
способами.
В
а). плотинная, при которой весь напор создается плотиной;
б). деривационная, при которой напор создается при помощи
деривационных (обводных) сооружений;
в). сметанную или плотинно - деривационную.
24
25
Гидроаккумулирующие электрические станции.
Для обеспечения наиболее целесообразного и экономически выгодного покрытия пиковых
нагрузок ведется строительство ГАЭС. Аккумулирование электроэнергии
осуществляется следующим образом.
Согласно рис. 3 .
Рис. 3. Схема сооружений ГАЭС.
26
Рис. 4. Схемы создания напоров и приплотинных деривационных ГЭС.
27
Имеются 2 бассейна, верхний 1 и нижний 6 .расположенные друг от друга на
расстоянии с разностью отметок на свободных поверхностях, равной Нст. Эти бассейны
с установленными на них турбиной 4 и насосом 5, обслуживаемыми мотор генератором 3, соединены между собой трубопроводом 2. В период провалов графика
нагрузки часть излишней энергии подается из системы на ГАЭС и используется для
привода в действие насоса, который перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний.
Таким образом происходит как бы зарядка аккумулятора. В период снятия пиков
нагрузки вода из верхнего бассейна поступает в гидравлическую турбину - генератор и
вырабатывает электроэнергию.
Приливные электростанции.
Как известно, два раза в сутки берега, омываемые водами океанов, подвержены
приливам и отливам таким образом, что за 6 часов 12 минут побережья оказываются
покрытыми слоем воды, высота которого в различных пунктах земного шара достигает
от нескольких см до 10.. .16м. Через следующие 6 часов 12 минут залитые пространства
вновь обнажаются отливом. По теории Ньютона приливообразутощей силой является
взаимодействие космических сил, действующих в системе "Солнце – Земля - Луна".
Изменение уровней воды, происходит примерно по косинусоиде.
По данным ученых, общая мощность прилива на земном шаре составляет 1млр кВт, т.
е. почти равна экономическому потенциалу всех рек мира.
Теперь в разных странах мира используются схемы ПЭС. ПЭС создается путем
отсечения плотиной морского залива или бухты от моря. В этой плотине
устанавливаются горизонтальные агрегаты, которые благодаря погруженному в воду
генератору, заключенному в кожух (капсюль) обтекаемой формы, могут работать и в
прилив и отлив.
Сейчас используются горизонтальные капсульные агрегаты, способные работать в 6
посменных режимах: 2-х сторонних турбинных и насосных и в 2-х нулевой мощностью,
при которой происходит холостой пропуск холостой воды.
28
Рис. 5. Схема однобассейновой приливной электростанции.
29
3. Виды гидротурбин.
Существует большое число типоразмеров гидротурбин, отличающихся
по классам, системам, типам и конструкциям.
Классификация современных гидротурбин приведена в таблице
Реактивные
Активные
КЛАССЫ
осевые
п
Пропеллерные
2-х
перовые
2 - 80
1,5 - 80
1 - 10
До 250
оворотно-
Наклонно
струйные
2-х
кр
300 1700
30 - 400
10 - 60
1,0 – 7,5
0,36 – 6,0
-
-
До 700
До 110
До 0,4
До 0,1
Радиально
осевые
Диагональные
ковшовы
е
30 - 100
30 - 550
30 - 150
0,35 - 9
1 – 10
0,35 – 7,5
До 150
До 250
До 700
л
опастные
Пределы применения
Рабочие
Напоры
Н, м
Диаметр
турбины,
Д1, м
Мощност
ь Р, МВт
Системы турбин. Деление на системы производится по характеру течения воды в
рабочем колесе и по способу регулирования расхода
Типы турбин.
Каждая система имеет тихоходные, нормальные и быстроходные
типы турбин, характеризуемые коэффициентом быстроходности это число оборотов такой турбины данного типа. которая при
напоре в 1 м (Н=1м) развивает мощность равную 1л.с. (Р=1л.с.)
Если известно.
n, Н и Р , то: (может принимать значения от 3 до 1000 об/мин).
7
𝑛𝑠 = ∙
𝑛
6 𝐻
∙√
𝑁
√𝐻
, или 𝑛 = 𝑛1 ∙
√Н
Д
при каком-то определенном режиме.
Быстроходность турбины определяется в основном формой рабочего колеса и его
лопастей.
Конструкции гидротурбин.
По конструкции турбины подразделяются:
а). по форме турбинной камеры - открытые, закрытые;
30
б). по расположению вала - горизонтальные, вертикальные;
в). по числу колес на валу - одноколесные, многоколесные.
Кроме этого, гидротурбины делятся по размерам и мощности на крупные, средние,
малые.
Крупные - с диаметром рабочего колеса Др.к.≥ 1,8 м.
Мощностью до 700 МВт.
Средние - Др.к < 1,75 м,
от 1 до 20 МВт. Н < 1,6 м и более.
Малые - Др.к < 1,2 м Н < 0,5 м.
N < 1 МВт.
4. Определение расчетного напора воды.
Напор Н называют полным или напором брутто. Но не весь напор станции
полезно используется в турбинах, часть его расходуется по пути от водохранилища до
места расположения турбин и на отвод воды обратно в рек. Это - гидравлические потери
в водозаборных сооружениях, в решетках, по длине каналов или лотков, в
трубопроводах и в отводящем канале. Для сельской приплотинной станции такие потери
в сумме невелики - 0,05...0,1 м, и потому их часто не учитывают.
Для деривационной гидростанции эти потери из-за большой протяженности
деривации достигают значительных размеров (до 10-15% от полного напора) и должны
учитываться при расчётах.
Напор станции за вычетом всех гидравлических потерь ∆Н называют рабочим
напором, или напором нетто. По нему определяются мощность гидростанции и
выбирают турбины.
Н р =Н-∆Н.
31
Рис. 6• Схема напоров на деривационной гидростанции.
5. Мощность речного потока.
Всякий речной водоток при движении совершает работу. Найдем величину
работы речного потока на участке длиной L ,заключенному между сечениями
(створами) I - I и II - II
Согласно уравнению Бернулли Д.удельная энергия в сечениях соответственно будет:
𝐸𝐴 =
𝐸𝑘 =
где
𝑃
𝛾
𝑃𝐴
𝛾
𝑃𝑘
𝛾
+ 𝑍𝐴 + 𝑎𝐴
+ 𝑍𝑘 + 𝑎𝑘
𝑉𝑎2
2𝑔
𝑉𝑘2
2𝑔
,
γ - удельная сила тяжести,
, Z, V, a соответственно удельная энергия давления и положения, средняя
скорость и коэффициент кинетической энергии потоков с индексом а точка А в
сечении I - I ,а с индексом -к в сечении II-II .
Рис. 7. Схема к определению работы совершаемой речным водотоком.
Разность этих энергий есть работа, совершаемая 1Нм жидкости при смещении ее из
положения I-I в положение II-II. При одинаковых поперечных сечениях I-I и II-II можно
считать, что aA=ak и V A = V k.
Тогда указанная работа 1Н жидкости
𝑃𝐴
EA – EK = (
𝛾
+ ZA) - (
𝑃𝐾 +
ZK)
𝛾
= HУЧ
32
Если через сечение водотока I-I протекает объемный расход Q p , м3/с а весовой
γ∙Q p Н/c,тo соответствующая работа в единицу времени, т.е. мощность, Вт, будет:
/
𝑁уч = 𝛾 ∙ Q p ∙ HУЧ
Подставляя
/
𝑁уч =
γ = 9,81- 1000 Н/м 3
9,81∙𝑄р ∙Нуч
1000
и выражая мощность в кВт, получим: .
= 9,81 ∙ 𝑄р ∙ Нуч
Эта мощность речного потока в естественном состоянии расходуется на преодоление
сил трения о ложе реки, взаимное гашение энергии между беспорядочно движущимися
частицами и др.В конечном итоге сна переходит в тепловую энергию и рассеивается.
Для использования энергии данного участка реки необходимо искусственно
сконцентрировать падение этого участка в одном каком-либо месте, т.е., создать
разность уровней воды, которую называют статическим напором.
6.Определение мощности ГЭС.
Величина мощности.
1). Мощность водотока определяется (рис. из п.l) формулой:
𝑁=
𝛾∙𝑄∙𝐻бр
102
, кВт
где Q - расход воды, проходящей из верхнего бьефа в нижний, м3/с
Нбр = Нст +
𝑎1 ∙𝑉12
2𝑔
−
𝑎2 ∙𝑉22
2𝑔
- напор брутто (или полный) м, численно равный количеству энергии, кГм, которое
можно получить от каждого кг воды, прошедшей из верхнего в нижний бъеф
a1, и а 2 - коэффициенты Кориолиса, коэффициенты неравномерности распределения
скоростей по сечению в верхнем и нижнем бъефах;
V 1 , V 2 - средние скорости в верхнем и нижнем бъефах, м/с,
γ - объемный вес воды, принимаемый γ = 1000 кг/м3
33
2). Мощность гидроэлектростанции при пропуске всего расхода водотока через её
турбины.
𝛾 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻𝐻
𝑁ГЭС =
∙ 𝜂𝑚 ∙ 𝜂ген
102
где Q - расход ГЭС, м 3 /с
Н н = Н б р - h - напор нетто или полезный, м;
h - гидравлические потери в подводящих и обводящих водоводах станции, м;
ηm - кпд турбины;
ηген - кпд генератора.
3). Полезная мощность турбины (на её валу) определяется с учетом потерь энергии в
водоводах гидроэлектростанции и в самой турбине по формуле
𝑁=
𝛾∙𝑄∙𝐻
102
, кВт
или учитывая, что
γ = 1000 кг/м 3 ,
N=9,81∙Q∙H∙η m , кВт.
где Q - расход воды, проходящей через турбину, м3/с;
H - действующий напор турбины, равные пьезометрическому уровня
плюс
𝑎∙𝑉 2
2𝑔
- перед входом в турбину минус пьезометрический уровень перед
выходом из турбины.
7. Схемы гидротурбинных установок и компоновка гидротурбинного и
электромеханического оборудования в здании ГЭС.
Установка гидротурбин осуществляется весьма различна, что определяется
местными условиями, назначением установки, ее мощностью, и величиной рабочего
напора. При выборе типа установки намечается наиболее целесообразное расположение
генератора, электрического тока, соединяемого с турбиной, либо непосредственно, либо
при помощи той или иной конструкции. Наиболее часто встречаются схемы (рис.4).
Гидротурбинные установки различают по следующим признакам:
1). По способу подвода воды (типу турбинных камер): открытого и
закрытого типа. Закрытые турбины: кожуховые в стенной и металлической
спиральной камере.
2). По расположению оси вала турбины: с вертикальным и горизонтальным
расположением вала.
34
3). По числу рабочих колес на одном валу:1, 2-х,3-х колёсные
Существует много вариантов компоновок гидротурбинного и электромеханического
оборудования в здании ГЭС. Рассмотрим наиболее характерные из них.
В здании станции установлена турбина 1, вертикальный вал которой имеет
непосредственное соединение с валом генератора 9. В машинном зале 15 располагается
маслонапорная установка 13 и регулятор скорости 14; над агрегатами, вдоль всего
машинного зала, проходит мостовой грузоподъемный электрический кран 7, чтобы он
мог поднять самый грузоподъемный узел - это рабочее колесо 8 или ротор генератора.
Перед входом в турбинную камеру со стороны верхнего бъефа, в точках здания ГЭС
устраивают несколько пазов для опор. Один паз служит для направления
быстропадающего затвора 4, приводимого при аварии. Для аварийной остановки
агрегата, например, в случае его выхода в разгон из-за неисправности в системе
регулирования, затвор освобождается от механизмов 6, удерживающих его в обычных
условиях эксплуатации турбины в подвешенном состоянии. Вода к турбине 3
подводится длинным металлическим трубопроводом l. Ha трубопроводе перед турбиной
установлен затвор 2, Вал турбины непосредственно соединяется с валом генератора 7.
Регуляторное оборудование состоит из регулятора 8, маслонапорной установки 6,
сервомоторов 5 и холостого выпуска 4. Иногда, в случае приплотинных ГЭС, удается
разместить гидроагрегаты прямо в теле водосливной плотины. Это дает существенную
экономию затрат на строительство, так как исключает сооружение здания ГЭС.
8. Пример. Кора-Урсдонской малой ГЭС деривационного типа.
Рис. 8
Исходные данные:
L = 100м.
Д в = 1м.
Нраб = 18 м
35
Решение.
1. Определение расчетного расхода:
𝜋 ∙ Д2
3,14 ∙ (1)2
Q расч =
∙ 𝑉расч =
= 4,3м3 /с
4
4
2.Определение расчетной мощности турбины и генератора:
N = 9,81∙ Q расч ∙ Нрасч∙ηобщ=9,81∙4,3∙18=645,39 кВт
3. Выбор типа гидротурбины.
По каталогам подбираем радиально - осевую турбину. Типа РО-300-ГФ-60.
300 - мощность, кВт;
Г - горизонтальная;
Ф - Френцисса (по имени изобретателя);
60 - диаметр рабочего колеса.
допустимый наибольший напор - 25м;
Приведенное оптимальное число оборотов 𝒏′𝟏𝟎 = 79 об/мин;
Приведенный оптимальный расход — 1,24;
наибольший-1,4;
оптимальный кпд - η=08,7%
Коэффициент быстроходности ns =305 об/чин.
4 . Описание устройства и работы радиально-осевых турбин.
Турбины этой системы применяются при напорах до 300-550 м.
Конструктивно они бывают без холостого и с холостым выпуском. Вода к турбине
проводится по напорному трубопроводу, берущему начало от напорного бассейна
гидростанции. В пределах здания станции к трубопровод примыкает сварная спиральная
камера, которая крепится к статору турбины. Из спиральной камеры вода поступает в
статор и пройдя между его ребрами попадает в направляющий аппарат, а затем в рабочее
колесо. Рабочее колесо этих турбин существенно отличается от рабочих колес осевых
турбин. Оно состоит из внутреннего обода (ступицы), наружного обода 2 и ряда лопастей
3 с криволинейной поверхностью. В средних и крупных турбинах все три детали
отливаются вместе и, поэтому колесо называется цельнолитным. После рабочего колеса
вода поступает в отсасывающую трубу, по которой проводится в нижний бъеф. При
высоких напорах и длинных напорных трубопроводах между спиральной камерой и
трубопроводом устанавливают затвор который прекращает доступ воды к турбине.
36
5.Выбор генератора.
Выбираем два генератора синхронные, типа СГ-2/85/45/12-УЗ
С - синхронные;
Г - горизонтальные;
за буквенным обозначением идет дробное число, числитель которого равен
внешнему диаметру сердечника статора, а знаменатель - длине сердечника статора в см.
Число после черточки означает количество полюсов машины.
СВ1190/250-48.
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
КРЕМНИЕВОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ
ФОКОНА .
. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить конструкцию солнечной электростанции на основе
фокона
(концентратора
солнечной'энергии)
и
исследовать
его
фотоэлектрические характеристики, определить параметры солнечного
элемента (СЭ): Uxx — напряжение холостого хода; [„-ток короткого замыкания;
Щ- КПД; Руд- удельная мощность.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: ближайшие, десятилетия, равно как и сейчас,
потребности человечества в энергии, вне 'всякого сомнем ил. будут возрастать. С
большой вероятностью при этом можно предполагать, что производители
энергии столкнутся с нехваткой ископаемого топлива, а также с такими
всевозрастающими проблемами, как обусловленное сжиганием этого
топлива загрязнение окружающей среды и потенциальная опасность ядерной
энергетики.
В связи с этим можно ожидать, что определенную,, более весомую, роль
начнет играть «чистая» энергетика, использующая практически неисчерпаемые
ресурсы Солнца, ветра, больших и малых рек и т. д. К таким источникам
относятся и СЭ, преобразующие энергию солнечного излучения в электричество,
С первых дней космической эры солнечные батареи (СБ) обеспе-чив&чи
электроэнергией космические корабли, а в настоящее время они стали
привычными з таких устройствах, как микрокалькуляторы и часы. В
развитых странах технология производства СЭ достигла стадии, когда стало
возможным строить солнечные электростанции мощностью в миллион Вт.
Основным сдерживающим фактором широкомасштабного использования СБ
остается их высокая стоимость, хотя за последние десятилетия она снизилась с
50 до 5 долларов за 1 Вт пиковой мощности и эта тенденция сохраняется .
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько, ее
37
содержится во всех разведанных запасах ископаемого топлива, а за 1 сек. - 170
млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера,
особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности! Вся энергия,
испускаемая Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5
млрд.раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии,
которую дают все остальные иоточники, вместе взятые. Солнечная энергия,
падающая на поверхность одного озера, эквивалента мощности крупной
электростанции.
Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но а, пожалуй,
наименее используемый человеком источник энергии.
'В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии
резко возрос.. Потенциальные возможности энергетики, основанные на
использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.
^
Использование sce;u мшь 0,0125 % энергии Солнца могло бы обесл.ч.-гь все
сегодняшние потребное,г-.мировой энергетики, а использование 0,5 % полностью
покрыть потребности на перспективу. К сожалению, врад ли когда-нибудь эти
. громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах.
Только очень небольшая часть этой энергии может быть . практически
использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации - слабая плотность2
солнечной энергии. Простой расчет показывает, что'если снимаемая с I м
освещенной солнцем поверхности мощность о среднем составляет 160 Вт,
то для
генерирования 100 тыс, кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км2 Ни один
из известных в нестоящее время способов преобразования энергии не может
обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.
Выше говорилось о средних величинах. Доказано, что
в высоких широтах *
плотность солнечной энергии составляет 80-130 Вт/м2,2 а умеренном поясе-130210, а и пустынях тропического пояса 2(0-250 Вт/м . Это означает, что
наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии
существуют в " развивающихся странах Африки, Южной Америке, в Японии,
Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния).
Однако даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты,
"истое
небо) плотность солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м 2 Поэтому,
чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую
для удовлетворения всех
потребностей человечества, нужно разместить их на
территории- 130000 км3. Необходимость использовать коллекторы огромных
размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты.
Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный
металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются
трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии,
поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного
использования. Из выше изложенного ясно, что существуют разные факторы,
ограничивающие мощность солнечной энергетики. Солнечная энергетика
откосится к наиболее материалоемким видам производства энергии.
Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское
увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для
добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов,
коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока еще электрическая энергия,
рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем поучаемая
традиционными способами.
Все активнее идея преобразования солнечной энергии в электроэнергию. Здесь
используются два метода - термодинамический и фотоэлектрический, причем
последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая мощность
автономных фотоэлектрических установок достигла 500 , МВт. Здесь следует
упомянуть проект «Тысяча крыш», реализованный в Германии, где 2250 домов
были оборудованы фотоэлектрическими установками. При этом роль резервного
источника играет электросеть,, из которой возмещается нехватка энергии. В случае
же избытка энергии она, в свою очередь, передается в сеть. В США принята еще
более масштабная программа «Миллион солнечных крыш», рассчитанная до 20)0
г.'Однако пока основное количество автономных фотоэлектрических установок
38
поступает за счет международной финансовой поддержки в развивающиеся
страны, где они наиболее необходимы.
•С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная
электростанция. Она невелика - мощность всего 5 МВт. Она работает без каких
либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без
использования органического топлива, Работая 2000 часов в год, станция
вырабатывает6 млн.жВтэлектроэнергии. • ■ '
Освоение космического пространства, позволяет разрабатывать проекты солнечнокосмических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в' отличие от
земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного
излучения, но и не зависят от погодных условий и смены/дня и ночи.
До недавних времен'практически все СЭ изготавливались'из1 кристаллического
кремния, однако, могут применяться и заслуживают внимания и другие материалы.
К ним относятся полупроводники, полученные из таких сплавов, как диселенид
меди - индия, теллурид кадмия, арсемид галлия и другие,
Какой бы материал не применялся, процесс преобразования солнечного излучения
в электричество о таком элементе остается неизменным. Основной интерес
представляет движение носителей зарядов и полупроводнике, поскольку
электрический ток представляет собой поток носителей в замкнутой цепи.
Указанный процесс можно рассмотреть на примере СЭ из кристаллического
кремния.
В нормальном состоянии атом кремния имеет 14 электронов. Четыре из них-это
валентные электроны, т.е. такие, которые могут взаимодействовать с другими
атомами других элементов, В кристалле чистого кремния всякий атом связан с
четырьмя другими атомами благодаря тому, что с каждым из них он имеет пару
общих электронов: один из электронов принадлежит ему самому, а другой соседу.
Эта довольно сильная электростатическая связь между электроном и двумя атомами,
которым он помогает держаться вместе, может быть разорвана, если в систему
поступает извне энергия, При определенной величине поглощенной энергии
электрон переходит на вышележащий уровень и попадает в так называемую
зону проводимости, где может двигаться свободно и участвовать в электрической
проводимости. Совершив такой «скачок», электрон оставляет на своем месте «
дырку». Освободившееся место может занять соседний электрон. В этом случае
электрон и дырка меняются местами. Следовательно, в кристалле могут двигаться
как электроны, так и дырки.
Солнечный элемент по своей сути -это диод, имеющий большую площадь. В диоде
ток в форме свободных носителей заряда может течь только в одном направлении.
Это объяснятся наличием в диоде постоянного электрического поля,
обусловленного тем, что диод делается из двух различных полупроводниковых
материалов. Такое электрическое поле ускоряет движение через него носителей
определенного заряда, отталкивая носителей противоположного заряда.
В солнечном элементе как раз и используется это явление. Элемент состоит из
слоев разных полупроводников, обеспечивающих создание -внутри элемента
постоянного поля, сходного с полем диода. Это встроенное' поле «помещают» как
можно ближе к той области, где происходит поглощение солнечного света
Солнечное излучение обладает, значительной энеогией' (nirnnn тлп о~ ■
квадр;: мый метр облучаемой поверхности). Падая НИ MI.вфхность
полупроводника
фотоны могут отражаться, проходить через него наскиозь или поглощаться. Фотон,
поглощенный в полупроводнике, может вызвать некоторое повышение
температуры полупроводника, а обладая достаточной энергией, он может выбить
электрон из атома так, что тот попадает в зону проводимости и тем самым
переходит в свободное состояние. Например, фотон с длиной волны менее 1,2 мкм
обладает достаточной энергией, чтобы способствовать возникновению свободного
электрона.
.
.■
Переход электрона а зону проводимости приводит к появлению дырки, т.е.
фактически свободного электрического- . заряда (положительного),
противоположного по споим свойствам отрицательному свободному заряду. В
полупроводниковом кремнии дырка, может двигаться свободно, поскольку
ближайший связанный электрон способен легко перепрыгнуть на ее место,
позволив дырке по сути дела перейти на свое прежнее место.
39
Когда свет поглощается о полупроводнике, возникают два свободных
носители: свободный электрон в зоне проводимости и свободная дырка в валентной
зоне. Ключевым моментом происходящего в солнечном элементе процесса
преобразования света в электричество является то, что возникающие о результате
поглощения солнечного излучения свободные носители заряда двигаются в
противоположных направлениях под влиянием встречного электрического поля.
Примером могут служить дырки и электроны, находящиеся вблизи поля.
Предположим, что поле по отношению к этим генерируемым светом носителям
ориентировано так, что способствует продвижению электронов, но отталкивает
дырки. Электроны в поле будут ускоряться, а дырки - оставаться вблизи того
места, где они появились. Пройдя через область поля, свободные электроны уже не
возвратятся, поскольку поле, подобно полю диода, воспрепятствует их обратному
движению.
Следовательно, при длительном освещении фотоэлемента заряды одного знака
будут скапливаться и верхней части элемента, а заряды другого - в его нижней
части. Если соединить верхнюю и нижнюю поверхности элемента проводником,
свободные заряды начнут двигаться по нему, создавая электрический ток. Этот
постоянный ток будет существовать до тех пор, пока элемент освещен.
Рисунки I и 2 дают наглядное представление о конструкции и физическом
принципе работы СЭ. Если подсоединить верхний и нижний контакты к цепи, то
при освещении СЭ по цепи пойдет постоянный электрический ток, который можно
использовать в практических целях,
Для оценки эффективности работы СЭ как источника ЭДС используют
величины фототока и фото-ЭДС СЭ, его КПД как отношение выходной
электрической мощности СЭ и мощности светового потока, падающего на
поверхность СЭ, удельной электрической мощности СЭ как мощности,
генерируемой с единицы поверхности СЭ. Для получения максимальной мощности
с единицы площади .поверхности солнечного элемента используют стеклянный
фокон (концентратор солнечной энергии).
40
Солнечный элемент на кристаллическом кремнии состоит из нескольких слоев. Считая снизу, это подложка из стекла или пластмассы; слой металла, служащий контактом; кремний р-тила, который собирает
«дырки» - положительные заряды; кремний п - типа, собирающий электроны; просветляющее покрытие и
верхний контакт в виде гребенки, Знаки плюс и минус означают электрон и дырку, создаваемые в
результате поглощения фотона. Локализированное в зоне р-п - перехода электрическое поле, возникающее
благодаря контакту двух различных полупроводников, толкает электроны вверх, а дырки вниз. Этот поток
носителей заряда и представляет собой электрический ток, текущий во внешней цепи.
Фотоэлектрический эффект в кристалле кремния (а) возникает из-за того, что падающий фотон выбивает
электрон {черные- точки) из атома кремния. Электрон освобождается и превращается в отрицательный
свободный заряд, оставляя вместо себя положительно заряженную дырку, В терминах квантовой механики (в)
электрон приобретает дополнительную энергию и перехбдит из валовой зоны ( связанного состояния) в ■ зону
проводимости. Если это имеет место вблизи встроенного поля, .электрон и дырка.двигают™ и- (
ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ СТО0ПНЯ>.« шмиито и ^..«.
41
Стеклянные фоконы в виде герметичных колб наиболее перспективны
для наземных фотоэлектрических станций (СФЭС). С их помощью можно
изготовлять фотоэлектрические модули с большим ресурсом работы, так как при
этом надежно защищены от атмосферных воздействий отражающий слой и
фотопреобразователь. Такой, модуль может, быть выполнен в виде единого
блока'фоком - радиатор охлаждения унифицированного , исполнения,
обладающего
рядом
эксплуатационных
преимуществ:
надежностью,
долговечностью, быстрой сменой вышедших из строя модулей в составе СФЭС.
Ход лучей, наклоненных
оптической оси фокона под углом а 10°(!) и '-13°(2)
к главной
Стеклянный фокон (рис.3.i-3.3) выполнен в виде колбы со
сферической
входной стенкой диаметром D, плавно переходящей й расчетный профиль высотой
Н, Поверхность иыхода излучения, выполненная в виде горловины цилиндрической
формы, сопрягается технологическим радиусом с расчетным профилем.
Фотопреобразователь может быть расположен в цилиндрической горловине на
расстоянии h от конца расчетного профиля. Расчетный профиль исследованного
фокона характеризуется следующими данными: диаметр^входного сечения D=178
мм, высота профиля'Н=270 мм, диаметр выходного отверстия d=51 "мм, общая
высота -фокона L=280 мм; параметрический угол at,= )6°, коэффициент
концентрации К= 12.дпт •
■
Исследование характеристик СЭ производят с помощью
электрической
схемы, приведенной на рисунке 4. Когда цепь разомкнута ( ключ в положении 3® )
электрический ток не течет по внешней цепи и СЭ работает в. режиме холостого
хода. ' . * • ■ ' ,
•
• ■ ' ' ' , .
42
43
В этом случае вольтметр показывает максимальное напряжение,
называемое напряжением холостого хода ( 1)хх). Амперметр показывает «О».
Когда ключ К в : положении 1, токосъемы СЭ замкнуты накоротко и через
амперметр течет максимальный ток, называемый током короткого замыкания ( 1 К
3. )• Вольтметр показывает «О». Напряжение х. х и ток к.з. характеризуют собой
максимально . | возможные ЭДС и ток, которые могут быть генерированы
СЭ. Однако ■ практической ценности эти величины не представляют, поскольку
ни в'первом, ни во втором случаях СЭ не выделяет мощность во внешнюю цепь,
Если СЭ подключен к определенной нагрузке (ключ К в положении 2), в
цепи течет ток, а амперметр и вольтметр показывают напряжение и ток нагрузки
(UH, In), которые меньше чем Um и \ „,. Мощность, выделяемая СЭ- на нагрузке
(РНУ определяется произведением UM TH, т.е.
Электрическая схема соединения СЭ
PH-UH'IH
(!)
Чем меньше отличаются U,, и 1„ от Uxx и 1п тем больше Р„ и тем эффективнее
работает СЭ. Однако значения U,, и 1„ не могут одновременно приближаться к
значениям Uxx и 1Кз соответственно. Чем ближе значение U,, к Uxx, тем больше 1Н ,
отличается от 1КЗ) т.е. тем ближе значение 1„ к нулю. И наоборот. В пределе как
было указано выше,-при U,, = Uxx, 1„= 0, при 1„ ■ lm , U,, = 0. Следовательно, можно
заключить, что U,, и 1„. находятся в определенной зависимости друг от друга.
Зависимость 1„ от U,, называется вольтамперной ха:рактеристикой (ВАХ) СЭ,. и
типичная ВАХ СЭ изображена на рис. 5.
(
Максимальная мощность которая может быть получена от СЭ,
определяется | площадью наибольшего. • прямоугольника, который можно
вписать в фигуру,
| ограниченную ВАХ и осями координат. Точка
соприкосновения одной из вершин ('! этого прямоугольника с ВАХ
определяет значения оптимального тока и оптимального напряжения,
произведение которых дает максимальную выходную ■ мощность СЭ,'
^тал ^ 'опт ' *--'опт
\£ I
..
!
44
45
Программа работы.
1. Ознакомиться с конструкцией солнечной электростанции,
записать основные
технические характеристики фокона и данные
электроизмерительных приборов.
2.СЭ, вольтметр и магазин сопротивлений собирают в цепь
в соответствии со
схемой на рис. 4,
•, •
.
3.Включают лампу и освещают СЭ. Повернув ключ К в
положение I измеряют
вольтметром значение Uxx и его значение заносят в таблицу 1.
Повернув ключ К в
положение 3' измеряют амперметром значение 1„э и его
значение-заносят в таблицу
2. Ключ К в положении 2, Меняя сопротивление нагрузки с
помощью магазина^
сопротивлений заносят значения U,, и 1„ в таблицы. '■
4.Построить вольт-амперную характеристику (ВАХ) по
данным таблиц.
5.Составить отчет
i,
Таблица I
46
Пользуясь таблицами и ВАХ определяют UonT и 101|т затем Ртах по
г|№рч«уле (2). Зная Е, S, Р тах , и орт , и 1 0 „,, по формуле (4) определяют
значение КПД fJ3, по формуле (5) значение Р уд. Отчет о работе
содержит ВАХ СЭ, его Ртх, Ioirr, UO(1T, ■ КПДиР уя .
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики?
металлы
и диэлектрики? '
■.
.
■. '
'
2. Когда по зонной теории твердое тело является процодииком
электрического
тока?
3. В
чем
суть
адиабатического
приближения
и
приближения
самосогласованного поля? •
.
4. Чем отличаются энергетические состояния электронов в
изолированном
атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные
энергетические
зоны?
5. Каков механизм электронной примесной-проводимости
полупроводников?
Дырочной примесной проводимости?
6. Почему при достаточно
высоких температурах в
примесных
полупроводниках преобладает собственная проводимость?
Лабораторная работа №5
«Исследование генератора Ветроэлектростанции»
Цель работы
Изучить конструкцию синхронного генератора
с независимым
возбуждением для ветроэлектрической установки ( далее по тексту ветрогенератора ) и приобретение основных характеристик.
Программа работы
1.
Ознакомление с конструкцией ветрогенератора и приводного
двигателя, записать их паспортные данные и данные измерительных и других
приборов.
2.
Собрать схему на рис. 1 и после проверки ее преподавателем
произвести
пробное включение, проверить возможность регулировки
напряжения и скорости вращения ветрогенератора с помощью реостатов и
КНГ.
3.
Снять данные и построить характеристики холостого хода
ветрогенератора.
4.
Снять данные и построить нагрузочную характеристику при
номинальном токе нагрузки равном 3 А.
5.
Снять данные и построить характеристику короткого замыкания.
6.
Снять данные и построить регулировочную характеристику.
7.
Составить отчет и сдать заключение к проделанной работе.
Оборудование для проведения работы
47
1. Лабораторный стенд с щитовыми
соединительными проводами.
2. Синхронный ветрогенератор.
приборами
и
Подготовка к работе
1.
Повторить теоретический материал: устройство и принцип
работы ветрогенератора, процесс работы и исследуемые характеристики
холостого хода, нагрузочные и короткого замыкания.
2.
Подготовка в лабораторной тетради таблицы и координатные
сетки для записания данных и построения кривых.
Общие сведения о ветроэлектрической установке ВЭС-0,5
Наименование показателя
Величина
1
2
Номинальная мощность, кВт
0,5
1
2
Напряжение постоянного тока, В
12 + 2
Диапазон рабочих скоростей ветра, М/с
4…30
Расчетная скорость ветра, гарантирующая
11
номинальную мощность, М/с
Максимально допустимая скорость ветра,
30
м/с
Диапазон рабочих температур,
+40…-60
Диаметр ветроколеса, м
1,65
Масса, кг
175
Устройство и принцип работы
ВЭС в основном варианте состоит из ветроколеса 1 с четырьмя
лопастями, закрепленного на роторе генератора 2, смонтированного на
корпусе поворотной головки 3, к которой также крепится штанга хвост 4 с
лопастью 5. Поворотная головка закреплена на составной / из 3-х частей/,
стойка 6, опирающейся с помощью сферической опоры на основание 7, и
закрепленной растяжками 8, с натяжными устройствами 9, к якорям 10.
Электрокабель 11 от генератора через скользящий коллектор в поворотной
головке по стойке и крепится на ней хомутами 12. Другой конец кабеля через
блок управления 13 /рис.4/ соединен с аккумулятором 14 и нагрузочной
сетью с потребителями 15. В варианте с транспортным средством /рис.3/
стоика 4 через основание 16 опирается на грузовые нарты 17. Нарты
снабжены отводными аутригерами 18 с боковыми опорами 19. Аутригеры и
нарты укрепляются якорями 10.
В варианте крепления станции к вертикальной стене /рис.4/ стойка 6 с
помощью кронштейна 20 с защелкой 21 крепится к стене дома или
вагонщика.
Поворотная головка ветродвигателя с помощью лопасти хвоста
48
обеспечивает
самоустановку
ветроколеса
на
ветер.
Поскольку
горизонтальная ось ветроколеса выполнена с некоторым смещением
относительно вертикальной оси поворотной головки, осевым усилием ветра
на поворотной головке создается отклоняющий момент, преодолевающий
при повышенной скорости ветра (около 14 м/с) стабилизирующий момент
лопасти хвоста, чем обеспечивается уход ветроколеса из-под ветра.
Шарнирная подвеска лопасти хвоста на горизонтальной штанге обеспечивает
на повышенных скоростях отклонение лопасти в вертикальной плоскости,
чем снижается стабилизирующий момент хвоста при повороте головки в
процессе ограничения предельной скорости вращения ветроколеса.
Электрогенератор бесколлекторный с возбуждением от постоянных
магнитов. Обмотка статора 3-х фазная, уложенная на диск из электротехнической стали. Ротор и статор имеют вал, причем ротор состоит из двух
стальных колец с закрепленными на них постоянными магнитами, между
которыми помещен статор с обмоткой.
Конструкция генератора с равномерным воздушным зазором между
магнитами и магнитопроводом статора позволяет обеспечить вращение
ротора при слабом ветре.
Блок управления выполнен в отдельном корпусе, на передней панели
которого установлен разъем «ВХОД», вольтметр и амперметр, индикатор
выключения зарядного тока, розетка от стабилизатора с предохранителем,
две розетки от аккумулятора, переключатель режима работы станции с
аккумулятором и без аккумулятора. Вольтметр показывает выходное
напряжение станции, амперметр – ток нагрузки генератора.
Генератор соединен с блоком управления трехжильным кабелем.
Порядок установки станции
Для установки ВЭС-0,5 необходимо выбрать место открытое для ветра.
В центре выбранной площадки устанавливается основание и вбиваются
колышки. Нижняя часть мачты зацепляется крючком за ось основания (для
упора при подъеме). Мачта с тремя растяжками без генератора поднимается в
вертикальное положение и вбиваются якоря равновесия по окружности.
Мачта опускается, на нее устанавливается генератор с ветроколесом и
хвостом. Штанга хвоста вставляется в отверстие поворотной головки,
утапливается нажимом и поворачивается до упора. При этом флюгер должен
быть расположен вертикально, и упор и шарнир расположены по одну
сторону флюгерного полотна (Вид А, рис.3).
К генератору подсоединяется кабель и крепится к мачте зажимами.
Мачта двумя растяжками крепится к якорям и поднимается в вертикальное
положение двумя или тремя рабочими, используя третью растяжку. Крепится
к якорю третья растяжка. Точная установка вертикальности мачты
достигается с помощью натяжных устройств.
В варианте ВЭС-0,5 с нартами растяжки крепятся к аутригерам. Кабель
подсоединяется к блоку управления.
49
Подготовка к работе блока управления
Подключить кабель от электрогенератора к блоку управления на
разъем ''ВХОД''.
Подключить кабель от блока управления на разъем аккумуляторного
ящика.
ВНИМАНИЕ. В аккумуляторном ящике провод с зажимом большего
диаметра подключить к клемме ''+'' аккумулятора. Провод с зажимом
меньшего диаметра к клемме ''-'' аккумулятора.
Переключатель ''АКК'' перевести в положение ''ВКЛ''.
На лицевой панели блока управления имеются две розетки от
аккумулятора и одна розетка с предохранителем от стабилизатора
маркированные ''+'' и ''-''. Не соблюдение полярности может привести к
повреждению нагрузки.
При работе станции без аккумулятора (автономный режим работы)
необходимо произвести следующие операции:
- отключить кабель блока управления от разъема аккумуляторного
ящика;
- переключатель ''АКК'' на лицевой панели перевести в положение
''ВЫКЛ'' и блок автоматически переходит в режим стабилизации выходного
напряжения постоянного тока.
Величина зарядного тока определяется скорость ветра. С
аккумуляторной батареи энергия поступает для питания потребителей. Блок
управления предусматривает визуальный и автоматический контроль за
напряжением аккумулятора, током нагрузки и выполняет функции по
отключению зарядного тока аккумулятора при перезарядки (повышение
напряжения батареи более допустимого) и подключения зарядного тока при
перезарядки (понижении напряжения батареи ниже допустимого)
аккумулятора. Это способствует увеличению срока службы аккумуляторных
батарей, не требует постоянного обслуживания.
Технические обслуживания
При работе станции обращайте внимание на уровень вибрации мачты и
натяжение растяжек.
Первое техническое обслуживание производится через 80…100 часов
работы станции под нагрузкой. Проверьте затяжку болтовых соединений,
затяжку соединении трех секции мачты, крепление ветроколеса, отсутствие
люфтов в заклепочных соединениях лопастей ветроколеса.
При обследование ветроколеса опустите мачту, очистите ветроколесо
от льда, соблюдая осторожность, чтобы не повредить лопасти (при
повреждении одной или двух лопастей допускается эксплуатация с двумя
лопастями).
Проверку по п.8.2. производите 2 раза в год при переходе от одного
сезона к другому, натяжение растяжек проверяйте еженедельно и после
штормового ветра.
Техническое обслуживание аккумулятора проводите в соответствии с
приложенной инструкцией по эксплуатации аккумулятора.
50
Транспортировка и хранение
С завода-изготовителя станция транспортируется в заводской упаковке.
При перевозки станции на новое место установки потребителем перевозить в
собственном контейнере, соблюдая следующие условия:
Все составные части станции должны быть уложены на свои места в
контейнере и закреплены штатными приспособлениями;
Штепсельные разъемы на концах кабелей мачты, необходимо обмотать
полиэтиленовой пленкой или промасленной бумагой;
Контейнер не кантовать, перевозить только дном вниз.
Станция должна храниться в упаковке завода-изготовителя в закрытом
не отапливаемом помещение с естественной вентиляцией с температурой
+40…-50 С0 при отсутствие в окружающей среде кислотных и других паров,
вредно действующих на покрытие станции. В помещение не допускается
конденсации влаги. Срок хранения до 2-х лет.
Краткие теоретические сведения
Ветрогенератор представляет собой трехфазную электрическую
машину. Ветрогенератор состоит из: неподвижного статора, собранного из
пластин электротехнической стали, обмотки статора, вращающегося ротора с
клювообразными полюсами, обмотки возбуждения, выводы которой через
щит присоединены к контактным концам выпрямленного блока.
Принцип действия ветрогенератора. При подачи напряжения в обмотку
возбуждения через реостат 𝑅в в обмотке появляется ток возбуждения. Этот
ток, проходя по обмотке, создает магнитные поток, рабочая часть которого
распределяется по клювообразным полюсам одной полярности. Выходя из
полюсов, магнитный поток пересекает воздушный зазор, входит в
клювообразные полюса другой полярности и замыкается через втулку и вал.
При вращение ротора каждым зубцом статора проходит переменно то
положительный, то отрицательный полюс, т.е., магнитный поток,
пересекающий обмотку статора, измеряется по величине и направлению. При
этом в обмотке действующее значение которой:
Еф = 4,44 ∗ 𝑓 ∗ 𝜔 ∗ 𝐾об ∗ Ф (1)
где f - частота; ω - число витков одной фазы; Ф - магнитный поток;
𝐾об -обмоточный коэффициэнт.
𝑃𝑛
𝐹=
60
где Р - число пар полюсов; n – частота вращения.
Значение обмоточного коэффициента зависит от числа пазов статора q,
приходящихся на полюс и фазу;
𝑞 = 𝑍/2 ∙ 𝑝 ∙ 𝑚 ; где Z –число пазов; m –число фаз.
Для ЭДС индуцированной в фазах обмотки ветрогенератора, значение
(1) можно записать:
Е=Се ∙ 𝑛 ∙ Ф
4,44∙Р∙𝜔∙Коб
где Се =
- постоянный коэффициент.
60
Ветрогенератор, рассматриваемый в лабораторной работе, применяется
51
в составе ветроэлектрической установки для обеспечения электрической
энергией потребителей в местностях, удаленных от централизованного
энергоснабжения.
Рассмотрим основные характеристики ветрогенератора.
Характеристика холостого хода – зависимость напряжения на выходе
генератора в режиме холостого хода 𝑈𝑜 от тока возбуждения 𝐼в .
afg
52
Рис.1 Принципиальная электрическая схема стенда для исследования
исследования синхронного генератора ветроэлектрической установки.
𝐼в 𝑈𝑜 = 𝑓(𝐼в ) при I=0 n=const
Нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе
генератора 𝑈𝑜 при работе с нагрузкой от тока возбуждения 𝐼в :
𝑈𝑜 = 𝑓(𝐼в ) при I≠0? N=const.
Характеристика короткого замыкания – зависимость тока короткого
замыкания 𝐼кз от тока возбуждения 𝐼в
𝐼кз = 𝑓(𝐼в )
Регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения
ветрогенератора от тока нагрузки 𝐼н номинальном напряжении 𝑈ном к 𝑛нои /
Описание лабораторной установки.
Лабораторная установка (рис.1) состоит из испытуемого ветрогенератора ВГ,
сочлененного с двигателем постоянного тока ДПТ; частота вращения
которого регулируется трехфазным регулятором напряжения РНТ.
Обмотка возбуждения ветрогенератора питается от источника постоянного
напряжения 0-15В, регулирование которого осуществляется реостатом 𝑅в .
Нагрузкой служит реостат 𝑅н , клеммы которого с помощью провода к стенду
с измерительными приборами. Частота вращения генератора определяет
механическим тахометром, установленного согласно с ветрогенератором.
Порядок выполнения работы.
Ветрогенератор подключен подключен к источнику возбуждения через
реостат 𝑅в . Собрав схему на рис.1 и после проверки ее преподавателем
замыкают сеть цепи приводного двигателя рубильником QF1. При этом QF2
должен быть разомкнут. Установив частоту вращения порядка 300-400
об/мин, замыкают QF2 и путем изменения ползунка 𝑅н проверяют
возможность нагружать ветрогенератор, также проверяют возможность
изменения тока возбуждения - 𝑅в .
Характеристика холостого хода.
Характеристика х.х. представляет собой зависимость напряжения
ветрогенератора в режиме холостого хода от тока возбуждения 𝐼в .
Так как генератор, в нашем случае имеет различные скорости вращения (в
реальных условиях скорость ветра различна), то снимаем семейство
характеристик при различных оборотах.
Это делается следующим образом. Из схемы на рис.1 исключается реостат 𝑅н
и амперметр А1, включается приводной двигатель и устанавливается частота
вращения равная 400 об/мин. Оставляя ее неизменной, следует изменять ток
возбуждения от 0,2 до 2А и полученные при этом значения напряжения на
выходе (с вольтметра) записывать в таблицу 1. Тоже самое повторить при
500 об/мин и т.д. После того как все данные будут сняты следует построить
сами характеристики (общий вид на рис.2а).
Нагрузочная характеристика.
Нагрузочная характеристика представляет собой зависимость напряжения на
выходе генератора 𝑈0 при работе с нагрузкой оттока возбуждения 𝐼в ; 𝑈0 =
53
𝑓(𝐼в ). Ее снимаем также при различной частоте вращения. Для этого
поступают следующим образом.
Включив ДПТ на 400об/мин устанавливают ток нагрузки 2А (реостатом 𝑅н )
и изменяя ток возбуждения реостатом 𝑅в записывают при этом полученное
напряжение в таблицу 2. После чего скорость меняют, ток напряженмия при
различных токах возбуждения.
Построить график (рис.2б).
таблица 1
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
𝐼в , А
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
𝑈с ,В
n=400
𝑈с ,В
n=500
𝑈с ,В
n=600
𝑈с ,В
n=700
𝑈с ,В
n=800
𝑈с ,В
n=900
𝑈с ,В
n=1000
таблица 2
𝐼в , А
1
М,В
n=400
М,В
n=500
1
М,В
n=600
М,В
n=700
М,В
n=800
М,В
n=900
0,4
2
2
0,6
3
3
0,8
4
4
1,0
5
5
1,2
6
6
1,4
7
7
1,6
8
8
1,8
9
9
Характеристика короткого замыкания
Характеристика короткого замыкания есть зависимость тока короткого
замыкания 𝐼кз от тока возбуждения 𝐼кз = 𝑓(𝐼в ).
Из схемы рис.1 исключают 𝑅н и включив приводной двигатель на 400 об/мин
54
замыкают на коротко выходную цепь генератора (точки А1 и А2). Изменяя
ток возбуждения реостатом 𝑅в , записывают показания А1 в таблицу 3. После
чего опыт повторяют на других скоростях по результатам опытов строят
зависимость (рис. 2в).
таблица 3
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
𝐼к ,А
n=400
𝐼к ,А
n=500
𝐼к ,А
n=600
𝐼к ,А
n=700
𝐼к ,А
n=800
𝐼к ,А
n=900
𝐼к ,А
n=1000
Регулировочная характеристика
Регулировочная характеристика есть зависимость тока возбуждения 𝐼в от тока
нагрузки ветрогенератора 𝐼н при номинальном напряжении 𝑈ном и 𝑛ном /
𝑈н =12В, 𝑛ном = 500 об/мин.
Для этого поступаем следующим образом: Устанавливаем частоту вращения
500 об/мин и возбуждаем генератор до номинального напряжения
подключаем нагрузку и увеличиваем ток нагрузки до номинального 𝐼ном =
2А. При этом ток увеличивают так, чтобы напряжение на выходе оставалось
равным номинальному. Через определенные интервалы нагрузки снимают
показатели амперметров А1 и А2 заносят в таблицу 4 и строят зависимости (
рис.2г).
таблица 4
𝐼н ,А
0.2
0.4
0.6
𝐼н
1.0
1.4
1.6
2.0
0.4
0.6
0.8
1.2
1.2
55
Рис.2 Характеристики синхронного генератора ветроэлектрической
установки.
56
57
К рис.3 Общий вид ветрогенератора ВЭС-0,5
1-ветроколесо; 2-ротор генератора; 3-корпус поворотной головки; 4-штанга
хвоста; 5-лопасть; 6-стойка; 7-основание; 8-растяжки; 9-натяжное
устройство; 10-якорь; 11-эл. кабель; 12-хомут; 13-блок управления; 14аккумулятор; 15-потребители; 16-основание; 17-грузовые нарты; 18отводные
аутригеры; 19-боковые опоры; 20-кронштейн; 21-защелка для крепления.
Рис.4 Станция управления (блочное исполнение)
13-блок управления; 14-аккумулятор; 15-потребители.
Содержание отчета.
1. Схема лабораторной установки.
2. Таблицы экспериментальных данных.
58
3. Графические построения характеристик.
Контрольные вопросы.
1. Каково устройства ветрогенератора?
2. Дать определение характеристикам ветрогенератора: холостого хода,
нагрузочной, короткого замыкания, регулировочной.
3. При каких условиях снимают данные для построения каждой из них?
Литература
1.Н Н Баранов Нетрадиционные источники и методы
преобразования энергии. Учебное пособие для вузов. Издательский дом
МЭИ, М 2012 с.-383с..
2.Ю Д Сибикин М Ю Сибикин Нетрадиционные возобновляемые
59
источники энергии . Учебное пособие. Радио Софт -М. 2008 с-224с.
3.Баскаков А. П. Нетрадиционные возобновляемые источники
энергии: учебник для вузов / А.П. Баскаков, В. А Мунц; Учебнометодическое объединение по образованию. М. БАСТЕТ, 2013- 365с.
4.Ю.С.Васильев .В.В.Елистратов «Гидроэнергетические
установки» Краткий конспект лекций. Издательство СантПетербургского политехнического университета. 2011. -128с.
5.В.В.Елистратов , Е.С.Аронова «Солнечные энергоустановки .»
учебное пособие для вузов.Издательство Сант- Петербургского
политехнического университета 2012 -164 с.
6.Бабаянц М. Т. « Сборник лабораторных работ по
Нетрадиционным источникам электроэнергии.Владикавказ;
СКГМИ(ГТУ), 2014-20с. Раздел НТБ учебно-методической и научной
литературы преподавателей СКГМИ (ГТУ), электронный ресурс
60