Диссертация (1137266), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Согласно классическойтеории ветроколеса [86]: 4v1v (1 1 )2vvН.Е. Жуковский установил для идеального ветроколеса максимальнуювеличину использования ветра, равную 0,59. Этот предел может быть получен привыполнении условия:v1 1v 3То есть в случае идеального ветроколеса потери скорости ветра в плоскостивращения должны составлять 1/3 от поступающей величины.В действительности же max значительно меньше, и, согласно разработаннойГ.Х. Сабининым теории реального ветроколеса, у лучших быстроходных-64ветроколес коэффициент использования ветра составляет в среднем 0,45-0,48, а утихоходных и того меньше – 0,35-0,38. Данный коэффициент в основном зависитот аэродинамических характеристик ветроколеса.Мощность, развиваемая ветроколесом, определяется как кинетическаяэнергия ветра, действующая в единицу времени, с учетом коэффициента егоиспользования:Pvk Svk 3 v 2Или, если учитывать переменный характер плотности воздуха и зависимостьее от температуры окружающей среды и давления, тоp M Svk v3P (2.9).vk 2 R (T 273,15)cТаким образом, мощность, развиваемая ветроколесом, зависит от ометаемойплощади, скорости ветра и величины коэффициента использования ветра.Выше речь шла о механической энергии, в которую ветроколесо преобразуеткинетическую энергию движения воздушного потока.
Но для обеспечениябесперебойногоэлектроснабжениянеобходимополученнуюмеханическуюэнергию дальше преобразовать в электрическую, что и происходит прииспользовании электрогенератора.Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, отличается от мощностиветроколеса на величину потерь при преобразовании механической энергии вэлектрическую, то есть на величину коэффициента полезного действия (КПД)ветроэлектрической установки:Pwg Pvk wgСледовательно, можно получить формулу для расчета получаемой мощностиот ветрогенератора:p M Svk v3P wgwg 2 R (T 273,15)c(2.10),-65где wg- это коэффициент полезного действия ветроэлектрическойустановки, который в свою очередь складывается из КПД редуктора и КПДэлектрогенератора:wg r gТаким образом, мощность ветрогенератора:p M Svk v3P r g (2.11),wg 2 R (T 273,15)cгде , r , g напрямую зависят от типа используемого ветроколеса иветрогенератора.В итоге при одновременном использовании энергии от обоих типоввозобновляемых источников – ветрогенератора и солнечной панели – можнополучитьконечноевыражение,характеризующееколичестводоступнойэлектрической энергии для питания нагрузки – беспроводного модуля:Pd Psp Pwg 360 (n 80) 1367 k sp k pa (0,7) AM sin((23, 45o sin )) sin 365 360 (n 80) cos(23, 45o sin ) cos cos(15 (12 T )o ) D 365(2.12) ( L sin sin l sin ) 2 ( L sin cos l cos ) 2 cos( ) p M Svk v 3 r g2 R (T 273,15)cРасчет параметров аккумуляторовКак это уже было описано выше, основными потребителями электрическойэнергии в данной системе являются: приемо-передающий модуль Prtm, детекторутечки метана Ps, внутренние потери на работу устройства Pin., также к нагрузкеможно отнести и мощность, затрачиваемая на заряд аккумулятора Pch.
Однако вслучае, когда пропадает доступ энергии от ветрогенератора и солнечной панели,аккумулятор переходит в режим разряда и начинает отдавать накопленнуюэнергию, по сути, являясь также источником.-66Вне зависимости от выбранного типа аккумулятора основными параметрами,характеризующими его работу, являются его емкость С и номинальноенапряжениеUnom. Помимоних, на количество энергии, доступной отаккумулятора, влияет температура окружающей среды tokr и ток разряда Idis(зависящий от подключаемой нагрузки). Остальные параметры тем или инымобразом будут связаны с представленными выше.Емкостьюполезныйаккумуляторазаряд,тоестьпринятозаряд,называтьотдаваемыймаксимальновозможныйполностьюзаряженнымаккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения.
Такимобразом, емкость:tC I dis dt , гдеt – это время разряда аккумулятора током Idis.0Так как любой аккумулятор является источником тока, то ток разряда небудет напрямую зависеть от напряжения на клеммах аккумулятора, а только оттекущей мощности нагрузки. Но здесь необходимо принять во внимание тот факт,что по мере разряда аккумулятора его напряжение снижается, а, следовательно,будет снижаться и напряжение, подаваемое на нагрузку Uin, что может привести кувеличению потребляемого тока Inagr, так какPnagr Uin I nagr .В разделе 3.4.
будет обоснована рекомендация, что минимальное количествоэнергии, доступное от аккумулятора, должно обеспечить функционированиеустройства в режиме экономии энергии (С1+С3) в течение n-ого количества дней.Следовательно (вывод формулы представлен в разделе 3.4),batWmin n (WC1 WC 3 ) trtrrsrsslslsl n ( Pkza Pin ) (T2 T1 ) Prtm t rtm Prtm t rtm Prtm trtm ( Pkza Pin ) (24 T1 T2 ) Prtm (24 T1 T2 ) 24batWmin n ( Pkza Pin Prtm )dt(2.13),0Так как условно можно принять, что ток нагрузки и является разряднымтоком аккумулятора, то-67-24batWmin n Pnagr dt (2.14),0I dis I nagr PnagrU bat.Следовательно, выражение для вычисления значения требуемой емкости,принимает вид:(24 trtm trtm )(24 trtm trtm )(24 trtm trtm )slrstr 24 ( P P )PrtmPrtmPrtmkzainC ndt dtdtdt0 Ubat (t )0 U bat (t )0 U bat (t ) (2.15), Ач. 0 U bat (t )rstrsltrrsslРазрядная характеристика, то есть зависимость напряжения аккумулятора отдлительностиразряда,приводитсяконкретнодлякаждоговыбранногоаккумулятора из технической спецификации к нему.
Для примера на Рисунке 2.7представлен типичный график разрядной характеристики NiMH аккумулятора, ана рисунке 2.8 – график зарядной характеристики того же самого аккумулятора[81, 105].Рисунок 2.7 - Разрядная характеристика NiMH аккумулятораРисунок 2.8 - Зарядная характеристика NiMH аккумулятора-68Из данных характеристик видно, что, к примеру, при зарядном токе 210 мАзаряд длится около 16 часов, но при разряде током в два раза большим, 420 мА,напряжения снижается до предельного уровня всего за 5 часов. Таким образом,это означает, что на заряд требуется больше энергии, чем та, которая потом будетотдана аккумулятором в нагрузку.
Данный показатель называется коэффициентомотдачи по мощности:kbat Wdis, где Wch – энергия, затрачиваемая для полного заряда аккумулятора,Wchпри условии равенства токов заряда и разряда, температуры окружающей среды ивремени, необходимого для полного заряда и разряда.Следовательно,энергия,необходимаядлязарядааккумуляторазаопределенное время24Wch batWmin1 n Pnagr dt (2.16).kbatkbat0А значит, требуемая мощность для заряда аккумулятора в течение времениTch:24Pch Wch1 n Pnagr dt (2.17).Tchkbat Tch0Обеспечение баланса мощности «нагрузка – источник»При любом планировании и расчете системы устройств типа источникнагрузка должно выполняться условие баланса мощности, то есть расчетнаямощность источников электрической энергии должна быть не менее суммарнойпланируемой мощности всех приемников (нагрузки). Выполнение данногоусловия позволяет обеспечить надежное функционирование устройства, особенноесли речь идет об автономных системах электроснабжения в труднодоступныхместах.На рисунке 2.9 представлено блочное изображение полученной моделисистемы, наглядно показывающее взаимосвязи (потоки энергии) между нагрузкойи источниками.-69-Рисунок 2.9 - Модель автономного устройства ЭП1.От ветрогенератора и солнечной панели к аккумуляторной батарее инагрузке – нормальный режим работы.При этом должно выполняться условие:Pi Pch ( Pkza Pin ) Prtm Ps , где i = 1 для ВГ и 2 для СП.
Мощность каждого изиспользуемых возобновляемых источников энергии (и ветрогенератора, исолнечной панели) должна быть рассчитана на всю нагрузку, включая зарядаккумуляторной батареи.В результате мы имеем два режима работы системы электропитания в частинаправления потока электрической энергии.-70Выполнение данного условия необходимо для резервирования питания посхеме N+1, что позволяет применять систему в регионах с изменчивымсоотношением энергии ветра и Солнца.2. От аккумуляторной батареи к нагрузке – аварийный режим работы.Должно выполняться условие:24Wdis n ( Pkza Pin Prtm Ps )dt ,касаемоаккумуляторнойбатареи,следует0говорить уже не о мощности, а именно об энергии, накопленной в аккумуляторе,которую он способен отдать.Блок «Система управления электропитания» (СУЭП) представляет собойэлектрическую схему, позволяющую заданным образом распределять имеющиесяэнергоресурсы по разным типам нагрузки.
По сути, подобная система ужеприменяется во множестве устройств автономного электроснабжения, за однимсерьезным исключением: все известные преобразователи данного назначенияиспользуются только для управления потоками энергии со стороны источников иникаким образом напрямую не влияют на функционирование нагрузки.Следовательно, они способны изменять только левые части баланса мощности.Однакосуществуетмножествопримеров,когдаэтогостановитсянедостаточно. Например, когда значительно снижено, или вовсе отсутствует,поступление электроэнергии от возобновляемых источников.
Это может привестик быстрому разряду аккумулятора и выходу из строя устройства в том случае,если не будет ограничено само энергопотребление нагрузки. Применяемыйалгоритм управления электрическим потоком, описанный в предыдущихразделах, позволяет реализовать данный функционал и продлить времяавтономной работы устройства. На рисунке 2.10 представлена схема модели УАЭв части управления нагрузкой.-71-СПОС(x, y, z),tokr ,TI spU spСУЭПВГU nagrРежим работыНагрI nagrI wgU wgU batАБРисунок 2.10 - Модель УАЭ – управление нагрузкой2.4РАЗМЕЩЕНИЕ СЕНСОРНЫХ МОДУЛЕЙСегодня известен ряд работ [25, 26, 28, 36], посвященных данномунаправлению, и в отечественной и зарубежной промышленности налаженопроизводство широкого спектра оборудования – это внутритрубные сканеры,ультразвуковыеивихретоковыедефектоскопыидругиесредстванеразрушающего контроля и диагностирования.
Однако все эти устройства непозволяют с достаточно высокой точностью определить место утечки и с высокойнадежностью передать все данные оператору.В работе [25] был предложен беспроводной модуль (БМ), способныйудаленно определить утечку газа и, используя определенные алгоритмы, передатьданные на базовую станцию. В результате чего возникла необходимость созданияметодов и принципов проектирования данных устройств, в том числе, учитываяих удаленное расположение, автономных систем электропитания.-72Для построения подобных систем первым делом требуется определениеоптимального места расположения БМ относительно МГ, что в дальнейшемнапрямую повлияет на подход в создании блока автономного электроснабжения.Для этого необходимо принять во внимание условие, что соседние датчикидолжны перекрывать друг друга в случае выхода одного из них из строя. Такимобразом, проанализировав возможные варианты, был получен нижеописанныйподход.Используя данные, полученные из работы [24], были построены изолиниираспределения газового облака из отверстия определенного диаметра при разныхскоростях ветра (рисунок 2.11).Рисунок 2.11 - Распределение газового облака при скорости ветра 5 м/сСогласно проведенным расчетам максимальная концентрация облака метана,при наиболее распространенной скорости ветра 5 м/сек, находится в пределах 100м от места утечки газа, а высота облака максимальной концентрации составляетот 0,5 до 1,5 м.-73Ось Y условно представляет собой линейный участок газопроводной линии,по оси X откладывается расстояние от точки утечки газа.Предположим, что имела место утечка газа из точки 1 (рисунок 2.12), тогдаможно определить расстояние R, в пределах которого будет иметь местомаксимальная концентрация газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
