Дипломная (вкр): Система автономного электроснабжения жилого дома

Потребление за 8 часов :

Далее нужно умножить получившееся значение на коэффициент 1,2 учитывающий потери в инверторе:

, Втч                                            (2.2)

 Втч

значение входного напряжения инвертора по характеристикам выбранного инвертора 48 В.

Разделив значение потребления энергии за сутки с учетом потерь на напряжение мы получим число Ампер-часов , требуемое для покрытия нагрузки переменного тока:

                                (2.3)

Определяем количество аккумуляторных батареи :

С учетом того, что максимальный допустимый разряд АБ будет составлять 30% от номинальной емкости(Можно, конечно, разряжать АБ сильнее, но тогда срок службы АБ резко сократится) приблизительная емкость АБ :

                                              (2.4)

Теперь необходимо рассчитать количество, напряжение, способ включения и тип аккумуляторов. При этом надо учитывать, что при параллельном включении аккумуляторов в цепь суммируется емкость (А/ч), а при последовательном напряжение (В).

Количество последовательно соединенных в ряд АБ

=48/12 = 4                    (2.5):

Количество параллельно соединенных рядов:

                             (2.6)

Суммарная емкость АБ:

                       ( 2.7)

Общее количество АБ:

=n1 n2=5х4=20                     (2.8)

2.8 Расчет фотоэлектрических модулей

Общая емкость аккумуляторных баратеи:

                            (2.9)

Учитываем потери на заряд-разряд аккумуляторной батареи (обычно 20% при использовании специальных батарей):

                                              (2.10)

3

Среднее количество пиковых солнечных часов для местности

Ростова-на-дону: 5ч

Требуемое число А ч от солнечных батареи:

                                               (2.11)

5.

Ток фотоэлектрического модуля в точке максимальной мощности (спецификации производителя): 10.35

Определяем количества модулей, соединенных параллельно.

                                            (2.12)

7.Округлить до ближайшего большего целого значения до 23 штуки

.Номинальное напряжение фотоэлектрического модуля :12В

Выбираем фотоэлектрический модуль ТСМ-180 :

Кремниевый монокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороне находится клеммная коробка. Модуль односторонний

В этом модуле применено специальное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы. Это позволило получить примерно на 15% больше мощности с единицы площади модуля.

Рисунок 2.16 - фотоэлектрический модуль ТСМ-180

Таблица 2.8- Технические данные фотоэлектрического модуля

2.9 Ветроэлектрическая установка

альтернативный энергетика дом ветроэлектрический дизельный

Современные ВЭУ - это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию.

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого «активного» типа (карусельного типа, Савониуса и др.), использующие силу давления ветра (в отличие от выше указанных ветроколес, использующих подъемную силу). Однако такие установки имеют очень низкий КПД (менее 20%), поэтому в настоящее время для производства энергии не применяются.

Основные компоненты установки:

ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором - обычно переменная;

мультипликатор - промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

башня (ее иногда укрепляют стальными растяжками), на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;

основание (фундамент), предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину. Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.

Рисунок 2.17 - Основные компоненты горизонтально-осевой ветроустановки

Размер ВЭУ зависит от предполагаемого использования. Основной характеристикой, определяющей размер этих систем, является мощность ветроагрегата. Например, для работы на сеть возможно применение ВЭУ мощностью 50 кВт и выше. ВЭУ меньшей мощности обычно используются как автономные. Например, ВЭУ для электроснабжения жилого дома может быть мощностью от нескольких сотен Вт до 10 кВт в зависимости от нагрузки и энергопотребления. В состав подобных ВЭУ обычно входят АБ, а во многих случаях и дизель-генератор в качестве резервного источника энергии во время длительных периодов безветрия. Небольшие предприятия и удаленные поселки могут использовать ВЭУ существенно большей мощности. Маломощные турбины (менее 1 кВт) могут быть использованы для заряда аккумуляторов и электроснабжения малой нагрузки (связь, освещение, электроинструмент, телевизор и т.п.).

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, поскольку они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность - отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей; от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов как правило применяются для этой цели хвостовые оперения, у больших - ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра используется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса.

Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору, или другой рабочей машине.

Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов съема мощности, что ведет к потере их эффективности. Они не имеют преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Рисунок 2.18 - Карта ветров в России

Рисунок 2.19 - График зависимоти вырабатываемой мощности ветрогенератора от скорости ветра

Вы видите, как сильно возрастает величина мощности ветрового потока при увеличении скорости ветра только на 1м / с. Для дальнейших расчетов найдем среднечасовую мощность за зимние сутки:

                     (2.13)

Потребление за 8 часов :

Далее нужно умножить получившееся значение на коэффициент 1,2 учитывающий потери в инверторе:

, Втч                         (2.14)

 Втч

Как видно из графика, среднегодовая скорость ветра в г. Ростов-на-Дону равна 7 м/с. Определяем количество вырабатываемой энергии за 8 часов Wвет.

                          (2.15)

где: V - скорость ветра,м/с

Wм - мгновенная мощность ветроустановки Вт.

Определяем количество ветроустановок

            (2.16)

Округляем до ближайшего целого n=2. Для резервной подпитки будет достаточно две ветроустановки ОМ-3000-48 мощостью 3 кВт.

Рисунок 2.20 - ветроустановка ОМ-3000-48 мощностью 3 кВт

2.10 Структура ветро-солнце-дизельной энергосистемы

Основным источником электрической энергии в системе электроснабжения является солнечная панель. Она заряжает АБ в дневное время суток с помощью солнечного зарядного устройства. Еще одним источником электрической энергий является ветрогенератор который преобразует энергию ветра в энергию трехфазного переменного тока. Выпрямитель регулятора заряда преобразует трехфазный ток в энергию постоянного тока, который заряжает аккумуляторную батарею. Ограничитель максимального тока предназначен для защиты порционно зарядного устройства от больших токов. В свою очередь ПЗУ предназначен для того чтоб равномерно распределять разят между АБ. Аккумуляторные батарей осуществляют накопление электроэнергии. К батарее подключается инвертор, который преобразует напряжение 48 В постоянного тока в стандартное синусоидальное напряжение 220 В 50 Гц и обеспечивает питание потребителей базовой станции переменным током.

Рисунок 2.21 - Структурная схема солнце - ветро-дизельного комплекса системы автономного электроснабжения базовой станции спутниковой связи

Регулятор заряда предохраняет АБ от перезаряда. При заряженной батарее избыток электрической энергии контроллер заряда переключает на термоэлектрический нагреватель (ТЭН).

Современные инверторы(«Xantrex» SW) совмещают в себе несколько функций: преобразователь напряжения постоянного тока в переменное, зарядное устройство от сети 220 В 50 Гц или от дизель-генератора, программируемый контроллер, контролирующий напряжение сети, выходное напряжение и входное напряжение с аккумуляторных батарей.

В случае штилевой погоды потребители запитаны также через инвертор, который преобразует напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в напряжение переменного тока. Инвертор контролирует степень разряженности аккумуляторной батареи по величине напряжения. При снижении напряжения батареи ниже допустимого, инвертор выдает команду на включение дизель-генератора(Gesan L10) .После выхода ДГ на рабочий режим, напряжение переменного тока с дизель-генератора подается через инвертор потребителям и, с помощью встроенного в инвертор зарядного устройства, заряжает аккумуляторную батарею, от которой продолжается электроснабжение потребителей постоянного тока. Режим заряда аккумуляторной батареи программируется в контроллере инвертора и им контролируется. При полном заряде аккумуляторной батареи инвертор формирует сигнал на выключение ДГ.

2.11 Синергетический эффект

Входящие в состав Энергетической системы ветровая турбина ВРТБ, фотоэлектрические преобразователи и аккумуляторная батарея работают одновременно. Это обеспечивает синергетический эффект: обеспечивается расчетная выработка энергии в любых погодных условиях с одновременным снижением потребной емкости аккумуляторной батареи. Такой эффект объясняется тем, что солнечный и ветровой первичные источники энергии дополняют друг друга: в периоды, когда снижается солнечная радиация, усиливается ветер и наоборот. При этом обеспечивается постоянная подача энергии потребителям в течение суток, месяца и года.