Повышение энергоэффективности ветроустановки для зарядки аккумуляторов

В статье изложена методика определения оптимальных значений угловой скорости и числа витков обмотки генератора на постоянных магнитах с приводом от ветротурбины, работающей в конкретных, по скоростному режиму ветра, условиях эксплуатации. Критерием оптимизации является максимум потенциала энергии, которая может быть направлена на зарядку аккумулятора. В качестве ограничивающих факторов приняты допустимые мощность генератора и ветротурбины, ток и напряжение зарядки аккумулятора. Ограничение предусмотрено путём подключения к выходу генератора балластного резистора. Развиваемая ветротурбиной мощность определяется с учётом коэффициента использования энергии ветра, зависящего от угловой скорости её вала и скорости ветра. Произведено сравнение двух вариантов ограничения мощности: путём ограничения угловой скорости аэродинамическими средствами и путём остановки ветротурбины. Отдача энергии на зарядку в том и другом случаях определяется с учётом распределения скоростей ветра, подчиняющемуся закону распределения вероятностей Вейбулла. В работе в качестве примера произведён расчёт возможной годовой выработки энергии для зарядки аккумулятора ёмкостью 200 А∙ч напряжением 24 В от синхронного генератора с числом полюсов 48 с приводом от ветротурбины радиусом 2 м, работающей в местности со средней скоростью ветра 5 м/с. Результаты расчёта показали, что для принятых в примере параметров и условий эксплуатации ветроустановки максимальную годовую выработку энергии (3,3∙10³ кВт∙ч) наблюдали при оптимальных 11-ти витках обмотки на каждом из полюсов генератора. Отклонение числа витков от оптимального в ту и другую сторону в 2 раза приводит, при тех же габаритах ветроустановки, к снижению годовой выработки энергии в 3…5 раз, что является наглядным доказательством необходимости проведения подобного расчёта для каждой конкретной ветроустановки.

1. Куницкая О. А., Помигуев А. В., Афоничев Д. Н., Григорьев В. И., Дмитриева И. Н., Григорьев Г. В. Альтернативные источники энергии для автономного энергоснабжения удаленных объектов сельского хозяйства и лесного комплекса. Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2022;15(1):71-81. DOI: https://doi.org/10.53914/issn2071-2243_2022_1_71 EDN: PNWJGU

2. Titkov V. V., Bekbayev A. B., Munsyzbai T. M., Shakenov K. B. Construction of autonomous buildings with wind power plants. Magazine of Civil Engineering. 2018;4(80):171-180. DOI: https://doi.org/10.18720/MCE.80.15

3. Васильев И. А., Кольниченко Г. И., Тарлаков Я. В., Сиротов А. В. Возобновляемые источники энергии в автономных источниках электроснабжения. Лесной вестник. 2020;24(4):91-97. DOI: https://doi.org/10.18698/2542-1468-2020-4-91-97 EDN: CLWKNY

4. Петько В. Г., Рахимжанова И. А., Фомин М. Б., Колесников А. Б., Садчиков А. С., Колесникова И. В. Обзор и оценка конструктивных схем ветродизельэлектрических установок. Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022;(1(93)):135-141. DOI: https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-93-1-135-140 EDN DRJZRW

5. Makarichev Y. A., Anufriev A. S., Zubkov Y. V., Didenko N. I. Energy efficiency of the wind power generator. Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019, Saint Petersburg-Moscow, 28-30 January 2019. Saint Petersburg Moscow: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2019. pp. 1011-1015. DOI: https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8657095

6. Статкевич А. В., Тимофеев С. С., Шишлаков В. Ф. Современные ветроэнергетические установки: обзор и тенденции развития. Волновая электроника и инфокоммуникационные системы: мат-лы XXV Международн. науч. конф., Санкт-Петербург, 30 мая – 03 июня 2022 года. Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2022. C. 257-261. Режим доступа: https://elibrary.ru/fnkagm EDN FNKAGM

7. Tsgoev R., Isaev T. Energy Efficiency of Wind Electical Plant Models Localized in the Russian Federation on the Repeatability Function of Wind Speed. Proceedings 2022 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2022, Sochi, 16-20 May 2022. Sochi, 2022. pp. 176-180. DOI: https://doi.org/10.1109/ICIEAM54945.2022.9787268

8. Бороденков Е. В., Слисаренко С. Ю., Литвин В. И. Применение ветроэнергетической установки с аккумулированием энергии для автономного энергоснабжения объектов сельского хозяйства. Современные проблемы энергоэффективности агроинженерных исследований в условиях цифровой трансформации: мат-лы Международ. научн.-практ. конф., Балашиха, 19 мая 2022 года. Балашиха: Российский государственный аграрный заочный университет, 2022. С. 99-103. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=49046859&pff=1 EDN KAYAYI.

9. Петько В. Г., Рахимжанова И. А., Фомин М. Б., Колесников А. Б., Садчиков А. С., Колесникова И. В. Регулирование мощности и частоты вращения ветротурбин путём изменения угла установки лопастей. Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022;(3(95)):210-215. DOI: https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-210-215 EDN: KPZJJD

10. Perzhabinsky S. M., Karamov D. N., Achitaev A. A. A Model of Reliability Optimization of a Stand-Alone Electric Power System with Constraints on Dynamic Stability of the Wind Turbine. Journal of Siberian Federal University. Engineering and Technologies. 2021;14(1):55-71. DOI https://doi.org/10.17516/1999-494X-0288

11. Averyanov V. K., Tolmachev V. N., Shapovalo A. A., Sidorenko G. I. Application of algorithms with a predictive model in solving the problem of regulating the rotational speed of the wind turbine of autonomous wind energy converters. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Scientific-Practical Conference on Quality Management and Reliability of Technical Systems 2019, St. Petersburg, 20-21 June 2019. St. Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019;666:012032. DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/666/1/012032

12. Мартынов А. А., Самсыгин В. К. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей источников бесперебойного питания. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020;1(391):151-158. DOI: https://doi.org/10.24937/2542-2324-2020-1-391-151-158 EDN: NBGTMU

13. Добрего К. B., Бладыко Ю. В. Моделирование сборки аккумуляторных батарей в электронной лаборатории. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2021;64(5):381-392. DOI: https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-5-381-392 EDN: OUJGKO

14. Селиванов К. В. Устройство для проверки Li-ion аккумуляторов и прогнозирования периода их работы в различных условиях. Датчики и системы. 2022;(2(261)):47-53. DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2022.2.7 EDN: QTNPKH

15. Petko V., Rakhimzhanova I., Ushakov Yu., Fomin M., Khristianovskaya M. Methodology for determining optimal parameters of the valve float level regulator. AIP Conference Proceedings: international conference on modern trends in manufacturing technologies and equipment 2021. Sevastopol, 06-10 September 2021. Sevastopol: American Institute of Physics Inc. 2022;2503:030027. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0100717

16. Корсун О. Н., Ом М. Х., Латт Ч. З. Определение проекций скорости ветра на основе измерений воздушной скорости, углов атаки и скольжения. Мехатроника, автоматизация, управление. 2021;22(10):553-560. DOI: https://doi.org/10.17587/mau.22.553-560 EDN: FWAFXL

17. Петько В. Г., Рахимжанова И. А. Оценка энергетического потенциала воздушного потока. Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018;(4(72)):227-231. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=35553615 EDN UYPYTC