Дипломная работа: Разработка энергосберегающей системы с использованием альтернативных источников энергии
1. Сокращение потребления невозобновляемых ресурсов.
2. Снижение экологической нагрузки.
3. Увеличение числа децентрализованных потребителей.
4. Обеспечение децентрализованных потребителей.
5. Снижение расходов на дальнепривозное и сезонное топливо.
Необходимость развития ветровой энергетики определяется ее ролью в решении следующих проблем:
1. Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения.
2. Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений.
3. Снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.
Известно, что основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той или иной степени связанных друг с другом. В северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с.
Для преобразования ветрового потока в электрическую энергию используют ветродвигатели в соединении с электрогенератором – ветроэнергетические установки или ветрогенераторы. Принцип действия всех ветрогенераторов один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу ветрогенератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса ветрогенератора, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает ветрогенератор.
На земле еще не мало мест, куда не дошла электроэнергия по столбам и подземным кабелям. В таких местах обычно стоят дизельные или бензиновые двигатели и вырабатывают электроэнергию. Эти установки превращают в дым тысячи тонн дизельного топлива или бензина, а вырабатываемая ими электроэнергия получается разы и десятки разы дороже электроэнергии вырабатываемой крупными электростанциями. Большинство таких мест имеют довольно высокий ветровой потенциал, и применение автономных ветрогенераторов совместно с тепловыми двигателями дало бы существенную, достигающую до 90%, экономию углеводородного топлива.
Главным преимуществом автономных ветрогенераторов является возможность вырабатывания электроэнергии вне зависимости от сети. В целом, ветрогенераторы работают подобно дизель-электростанциям, только не сжигают топлива.
У ветрогенератора классического типа есть ряд особенностей: ветроколесо расположена за башней ветрогенератора относительно ветра. Ветроколесо ветрогенератора автоматически разворачивается относительно ветрового потока так, чтобы оптимальным путем использовать его энергию, а поворотом лопастей поддерживается постоянные обороты во всем рабочем диапазоне скоростей ветра. С помощью применения таких технических решений и инноваций в наших ветрогенераторах, нам удалось достигнуть практически предельных значений коэффициента использования ветровой энергии ветро-энергетическими установками.
1 Расчётно-проектировочный раздел
1.1 Назначение и область применения
В настоящее время, когда потребителей энергии становится всё больше и больше, технологии становятся на путь понижения потребляемой мощности и увеличиваются разработки альтернативных источников энергии не загрязняющих окружающую среду. Сейчас можно увидеть ветряные электрогенераторы, использующие энергию ветра и преобразующие её в электрическую; биологические электростанции которые преобразуют энергию разложения органический веществ в электрическую. Но иногда когда энергии таких источников не хватает, и чтобы не было перебоев и скачков напряжения, то приходится переключаться на питание от стационарной сети. Для этих целей и предназначена тема моего исследовательского диплома.
Данное устройство предназначено для работы в составе ветряной электростанции средней мощности. Устройство реагирует на изменение напряжения на генераторе и, когда его не хватает, для питания потребителей переключает их на стационарную сеть. Также данное устройство реагирует на изменения тока протекающего в цепи нагрузки: когда ток в цепи нагрузки увеличивается до максимального тока, который может дать генератор, устройство переключает потребителей на стационарную сеть. И переключается обратно на генератор при восстановлении контролируемых параметров.
Данное разрабатываемое устройство предназначено для работы в различных бытовых и стационарных условиях. Оно способно работать в широком диапазоне температур и способно коммутировать цепь с сетевым напряжением 230В и током в 28А, эти параметры максимальные, которые может выдавать генератор СГВМ16-У1 в течении длительного времени, по индивидуальному заданию.
1.2 Разработка структурной схемы
Структурная схема определяет основные части изделия и связи между ними. Она лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей и блоков, определяет основные части устройства и служит лишь для общего ознакомления с изделием.
Составные части проектируемого устройства изображаются упрощённо в виде прямоугольников произвольной формы и внутри каждого указывается наименование блока, узла.
Структурная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.
В основе данного устройства находится устройство сравнения. Оно следит за напряжение на генераторе и величиной тока в цепи нагрузки; и сравнивает их с эталонными или опорными значениями, которые также можно подбирать в небольших пределах. Для работы устройства требуется датчик напряжения на генераторе. Он предназначен для слежения за генератором: когда напряжение достаточное для питания потребителей, устройство подключает потребителей к генератору, а когда напряжение падает и его не достаточное для питания, то устройство переключает потребителей на стационарную сеть. Также для данного разрабатываемого устройства требуется датчик тока. Он следит за током в цепи потребителей: когда ток потребления увеличивается, и генератор не способен поддерживать стабильный режим работы, то устройство также переключает потребителей на стационарную сеть; и обратно, если ток падает и с генератора способен давать энергию без перебоев.
Блок опорного напряжения предназначен для задания эталонных значений контролируемых параметров и подстройки, устройства управления блоком переключателей, на точный режим работы и под конкретные значения максимального тока и напряжения которые может поддерживать генератор в условиях длительного времени работы. Блок индикации предназначен для контроля работы за устройством управления и источника питания потребителей: сеть или генератор. Блок питания, для запитывания разрабатываемого устройства подключён выходу устройства, т.к. на выходе устройства напряжение есть всегда, или от генератора или от сети.
1.3 Разработка функциональной схемы
Для работы разрабатываемого устройства потребуется два датчика: датчик тока, для контроля потребителей; и датчик напряжения, для контроля генератора. Датчик напряжения: пропорционально уменьшает выходное напряжение генератора, для возможности его сравнения его с опорным напряжением. Это напряжение находится в районе 1 – 1,5В. Датчик тока: преобразует определённую величину тока в соответствующее напряжение на его выходе, для сравнения со вторым опорным напряжением . Это напряжение, при максимальном значении тока в цепи, находится в районе 1В.
На устройство управления подается опорное напряжение для сравнения с подаваемым напряжением, взятое с датчика напряжения. Одновременно с этим напряжением на устройство сравнения подаётся второе опорное напряжение для сравнения с напряжением, взятым из датчика тока.
Блок переключателей подключён к блоку управления с помощью оптронов, для гальванической развязки высокого напряжения сети с низкими напряжениями в основной схеме.
Блок индикации совмещён с устройством управления и показывает, что происходит в определённые моменты времени: нет напряжения на генераторе, большой ток в цепи потребления, нормальный режим работы, работу блока питания.
1.4 Разработка принципиальной схемы
1.4.1 Расчёт узлов и блоков
Принципиальная схема разрабатываемого устройства приведена в графической части диплома на формате А1.
Для работы устройства сравнения требуется опорное напряжение не высокого потенциала. Первое опорное напряжение берётся со светодиода, ток через которые стабилизируется полевым транзистором. Для корректного зажигания светодиода требуется ток в 10мА, тогда на нём выделяется напряжение 2В. Конкретный транзистор для стабилизации тока выбирается по сток-истоковой вольтамперной характеристике. Второе опорное напряжение берётся из такой же конструкции, но вместо светодиода в истоковую цепь обычный диод. В данном случае ГД508А: падение напряжения на диоде 0,7В при токе в 10мА, что позволяет использовать одинаковые транзисторы в двух источниках опорного напряжения. Исходя из вышеописанного, и после сравнения сток-истоковых характеристик, мною выбран транзистор КП303А, у него наблюдается не значительное изменение тока стока в диапазоне 7 – 15В.
Блок переключателей выполнен на симисторах включённых по стандартной схеме включения, и со стандартными наборами подключаемых элементов. Симисторы должны выдерживать максимальное действующее напряжение в схеме и максимальный расчётный ток: