Диссертация (Проектирование устройств автономного электропитания сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей), страница 6

Чтобы определить насколько целесообразноиспользование ВГ в данной конкретной местности, необходимо первоначальнопроанализировать данные о средней скорости ветра в данном регионе,коэффициенте повторяемости и коэффициенте открытости местности.Первыйпараметрметеорологическиеможнополучить,длявыбранногоданныеиспользуярегиона.статистическиеДляопределениякоэффициента повторяемости наиболее часто в ветроэнергетике используетсядвухпараметрическаяаналитическаязависимость,выражающаявероятнуюпродолжительность действия различных скоростей ветра, параметры которойварьируются в зависимости от характера местности [75]:F (v ) k v c ck 1  v k  exp       c  -даннаязависимостьназываетсяфункциейраспределения Вейбулла, где с – коэффициент масштаба, k – коэффициент форма,v- скорость ветра, м/c.

Достаточно близкое соответствие экспериментальнымданным получается при значениях k=1,8-2,3 и параметра с, близкого к значениюсредней скорости ветра – данное распределение является разновидностьюраспределение Вейбулла и носит название однопараметрическое распределениеРэлея [75].

Параметры с и k определяются ещё на этапе аппроксимацииконкретных данных метеонаблюдений. Параметр формы k можно определить спомощью графического представления повторяемости скорости ветра (рисунок1.12) как котангенс наклона прямой линии зависимости скорости ветра отпроцента повторяемости к оси абсцисс.-39-14Повторяемость, %12108642012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Скорость ветра, м/сРисунок. 1.12 - График повторяемости скорости ветраОписанный способ позволяет определить типовое значение скорости ветра вданном регионе, а, следовательно, используя классификацию Бофорта (Таблица1.4.), и применимость выбранного типа ВГ [69].Таблица 1.4 - Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ВГБаллыСкоростьХарактеристикаВоздействиеУсловияБофортаветра, м/с силы ветра00,0-0,41ветра ВГработы ВГШтильНетОтсутствуют0,4-1,8ТихийНетОтсутствуют21,8-3,6ЛегкийНетПлохие33,6-5,8СлабыйНачинаютсяУдовлетворительныевращатьсятихоходныеветроколеса45,8-8,5УмеренныйНачинаютХорошиевращаться колесааэрогенераторов8,5-11СвежийМощность ВГ и Очень хорошиедостигает 30 %для-40-611-14СильныйМощностьв Приемлемырасчетномпрочныхдиапазонеи конструкцийдляблизка к max7814-1717-21КрепкийОчень крепкийМаксимальнаяПредельномощностьдопустимыеОтключение ряда НедопустимыеВГ921-25ШтормОтключение всех НедопустимыеВГ1025-29Сильный штормПредельныеНедопустимыенагрузки1129-34Жестокий штормПовреждениеНедопустимыенекоторых ВГ12Более 34УраганРазрушение ВГНедопустимыеЕсть несколько разных подходов к классификации ВГ: по мощности,диаметру ветроколеса, расположению оси вращения, количеству лопастей и т.д.Относительно расположению оси вращения своего ротора ВГ делятся на: сгоризонтальной (рисунок 1.13) и вертикальной осью вращения.1.

Наибольшую популярность получил первый тип, в котором ось вращениярасполагается параллельно земной поверхности, а окружность, ометаемаялопастями – поперек потоку ветра.Большее распространение подобныхустановок в первую очередь связано с историческими аспектами развитияальтернативной энергетики, однако это не снижает их основные преимущества, ак ним можно отнести:- высокие энергетические показатели. КПД может достигать 45 %, чтоявляется самым большим из всех типов ВГ;- относительно постоянный момент вращения;- легкости автоматического запуска.Недостатками являются:-41- зависимость от направления ветра. То есть требуется точная ориентациялопастей, перпендикулярно потоку ветра, что усложняет ее кинематическуюсхему;-высокаяпарусность,чтотребуетприрасчетеВГзакладыватьдополнительный запас по прочности мачты;- необходимость установки электрогенератора наверху мачты, из-за чегонеобходимо увеличение запаса по прочности мачты.Рисунок 1.13 - ВГ с горизонтальной осью вращенияВГ с горизонтальной осью вращения чаще всего имеют две или три лопасти,хотя существуют модели и с большим числом лопастей (сплошные, монолитные).Для наиболее эффективной работы ВГ его лопасти должны взаимодействовать смаксимальным объемом ветрового потока, проходящего через площадь вращенияротора.

Поэтому ВГ с малым числом лопастей (две-три) должны вращаться сочень большой скоростью, чтобы максимально охватить потоки ветра.Монолитные ВГ, в свою очередь, могут работать на низких скоростях вращения,однако их эффективность значительно ниже, так как соседние лопасти создаютпомехи друг другу.2. ВГ, ось вращения которого располагается перпендикулярно векторускоростиветра,называетсявертикально-осевым(рисунок1.14).Такаяконструкция позволяет исключить необходимость ориентации лопастей по потокуветра, поскольку любое направление ветра в данном случае будет вращатьтурбину.-42-Рисунок 1.14 - ВГ с вертикальной осью вращенияПреимущества:- вследствие своей конструкции при любом направлении ветра ветроагрегатыподобного типа будут находиться в рабочем положении;- возможность установки редуктора и генератора в нижней части устройства.Недостатки:- пульсации крутящего момента, приводящие к нежелательным пульсациямвыходных параметров электрогенератора;- низкий КПД, связанный с тем, что при любом направлении ветраиспользуется только половина из имеющихся лопастей.Применению ветрогенераторов в качестве источника электропитаниябеспроводных сенсорных модулей в настоящее время уделяется достаточно маловнимания.

И, вследствие этого, на данный момент ветрогенераторы малой(единицы Вт) и сверхмалой (сотни мВт) мощности не получили широкойпопулярности.Авкачествеальтернативыпредлагаетсяиспользовать-43малогабаритную осевую турбину с электромагнитным генератором (рисунок1.15). Это устройство, помещенное в воздушный поток, может генерироватьнеобходимую электрическую энергию для беспроводных датчиков.Рисунок. 1.15 - Осевая турбина (в сравнении с монетой)Но в этом решении налицо явные недостатки, такие как: необходимостьразработки и применения специальных концентраторов воздушного потока,отсутствие на данныймомент широкого производства этихустройств,необходимость, как и в случае ветрогенераторами с горизонтальной осьювращения, ориентации по направлению ветра.Проведенный выше анализ существующих решений для организацииавтономногоэлектропитаниятелекоммуникационнойсистемыпоказал,использованиечтосистемыбеспроводногомониторинганаиболееветрогенератораисенсорногосостоянияцелесообразнымсолнечнойгазотраспортнойрешениемпанелимодулясявляетсянакоплениемпреобразованной энергии в аккумуляторе.

Учитывая сильную зависимостьполучаемой из окружающей среды энергии от климатических особенностейконкретного региона, а также времени суток и текущего сезона, припроектировании устройства электропитания, необходимо разрабатывать (илиадаптировать уже разработанный) алгоритм функционирования для повышения-44энергоэффективности системы и минимизации дополнительных расходов,связанных с ее эксплуатацией.1.6 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯПроведенный в данной главе анализ показал, что вопрос обеспечениянадежного мониторинга состояния газотранспортной сети является крайневажной стратегической задачей. А наиболее перспективным решением в даннойобласти является применение беспроводной сенсорной телекоммуникационнойсистемы.Существующий подход в проектировании как всей системы, так и входящихв нее аппаратных средств, предполагает обеспечение электроснабжения за счетиспользования аккумуляторных батарей.

Однако данное решение имеет рядсущественныхпроблем,связанныхссильнойзависимостьювыходныххарактеристик источников тока от воздействующих факторов окружающей средыи условий эксплуатации в целом, что значительно ограничивает сферу ихприменения в регионах проложения газопроводов. Также существующиеалгоритмы передачи данных в самоорганизующихся сетях не учитываютнеобходимость их автоматической адаптации к изменяющимся условиямокружающей среды и текущим параметрам внутренних источников энергии, чтоделаетневозможнымпостроениевысоконадежнойиэнергоэффективнойбеспроводной сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состоянияГТС.-45На основании вышеизложенного можно сформулировать цель и задачи,требующие решения в диссертационной работе.Целью данной работы является повышение энергоэффективности сенсорныхтелекоммуникационныхсистеммониторингатехническогосостояниягазотранспортных сетей за счет разработки метода проектирования и алгоритмовфункционирования устройств автономного электропитания её беспроводныхмодулей.Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:1.сенсорныхАнализособенностейустройствтелекоммуникационныхсистемавтономногоиэлектропитаниясостоянияпроблемыихпроектирования.2.Разработкаметодапроектированияустройствавтономногоэлектропитания модулей беспроводной сенсорной телекоммуникационной сети.3.Разработка моделей и алгоритмов функционирования модулейсенсорной телекоммуникационной сети.4.Разработкаметодикипроектированияустройствавтономногоэлектропитания модулей беспроводной сенсорной телекоммуникационной сети.5.Апробацияивнедрениерезультатовработывпрактикупроектирования устройств автономного электропитания модулей беспроводнойсенсорной телекоммуникационной сет.1.7 ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1В главе 1 проведен анализ существующих решений в части организациимониторинга технического состояния ГТС, который показал возможность-46применения для этой задачи беспроводных технологий.

Рассмотрены системыобеспеченияэлектропитаниядлямодулейбеспроводныхсенсорныхтелекоммуникационных систем. Проведен сравнительный анализ различныхпротоколовбеспроводнойпередачиданных.Рассмотреныособенностиприменения альтернативных источников электроэнергии для электропитаниямодулейбеспроводныхБСТС.диссертационного исследования.Определенацельипоставленызадачи-47ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОНОМНОГОУСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯВ данной главе предложен метод проектирования автономного устройстваэлектропитания БСТС мониторинга состояния ГТС, включающий в себя учетвлияния внешних воздействующих факторов, связанных с географическими иметеорологическимиособенностямирегионапредполагаемогоразмещениясистемы.

Сформулированы основные требования, предъявляемые к данномуметоду. Также для обеспечения требований по надежности в разработанныйметодвключенаустройстванавозможностьединомразмещенияпечатномузлевсехиосновныхпроведениекомпонентовкомплексногоэлектротепломеханического моделирования. Предложена математическая модельраспределения потоков энергии в автономной системе электропитания отисточниковкнагрузке,позволяющаяисследоватьвлияниевнешнихвоздействующих факторов на уровень доступной электрической энергии, а такжеопределить основные подходы в части управления функционированием нагрузкидля повышения ее энергоэффективности и надежности.