Выбор оборудования

На номинальную потребляемую мощность 100кВт выбираем МДП на номинальную мощность 75% от потребляемой мощности, т.е. 75кВт. А ПЧ выбираем на мощность 35% от потребляемой мощности, т.е. 35кВт. Мощности выбраны с пятипроцентным запасом.

1. Выбираем генератор (АД ФР) Российского производителя ООО «Компания ЗВИ» типа 5 АНК 280 А-4С 75

Технические характеристики:

Класс защиты корпуса: IP23.

Мощность: 75 кВт.

Частота вращения: 1500 об/мин.

Напряжение: 220/380 В.

КПД: 92,5%.

Cosφ: 0,83.

Масса: 840 кг.

Цена: 240321 руб.

Рис. 7. Электродвигатель АНК 280 А-4С 75.

2. Выбираем преобразователь частоты: MITSUBISHI FR-А741 с функцией рекуперации энергии.

Технические характеристики:

Сеть: 3 фазы, 380…480В.

Номинальная мощность: 37кВт.

Номинальный выходной ток: 71A.

Выходная частота: 0…400 (U/F).

Класс защиты корпуса: IP20.

Перегрузочная способность: 150% 60с, 200% 3с.

Габариты: 470х700х368(ШхВхГ)мм.

Цена: 150000(примерно) руб.

Рис. 8. Внешний вид ПЧ FR-А741.

1.7.1.3. Расчет и выбор накопителя энергии

Исходные данные:

Суточный график нагрузки жилых зданий

ч

Рис. 10. Суточный график нагрузки на сеть.

За максимум потребления энергии возьмем 100кВт*ч.

Предположим, что ветер пропал в 10 часов утра и появился в 22 часа вечера. Исходя из графика, получим, что за это время накопитель должен был выдать:

Таким образом, для нормальной работы системы ВЭУ в условиях отсутствия ветра, необходим накопитель, способный запасти энергию .

1.7.1.3.1 Маховиковый накопитель энергии

Маховик (Маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии. Используется в машинах, имеющих неравномерное поступление или использование энергии, накапливая энергию, когда поступление энергии выше чем расход, и отдавая её, когда потребление превышает поступление энергии. Также используется в гибридном двигателе в качестве накопителя энергии и для рекуперативного торможения.

Часто функцию маховика выполняет массивный вращающийся элемент механизма. Такие как гончарный круг, массивные колеса водяной мельницы или массивные зубчатые колеса.

Эффект маховика использовался с древнейших времен. Например в гончарном круге, ветряных мельницах. Вероятно, одним из древнейших примеров использования маховика стала археологическая находка из Междуречья (в районе города Ур) — гончарный станок с диском из обожжённой глины, около метра в поперечнике и весом не менее центнера. Подобные изобретения неоднократно появлялись и в Китае.

Рис. 1. Маховик со старой фабрики

Согласно американскому медиевисту Линну Уайту немецкий монах Теофил упоминает в своём трактате «О различных искусствах» несколько машин, в которых применяется маховик.

Во время промышленной революции, Джеймс Уатт применил маховик в паровой машине для выравнивания движения и преодоления мертвых положений поршня, и его современник Джеймс Пикард использовал маховик в сочетании с кривошипно-шатунным механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

В мае 1964 года Гулия Нурбей Владимирович подал заявку на изобретение супермаховика — энергоёмкого и разрывобезопасного маховика.

Расчет маховика:

В качестве маховика, была выбрана толстостенная цилиндрическая труба с открытыми концами.

Энергия, запасенная в маховике, находится по формуле:

где - момент инерции маховика; - угловая скорость маховика.

Момент инерции маховика находится по формуле:

где - масса маховика; - внешний радиус маховика; - внутренний радиус маховика.

Из-за широкой распространенности и относительно низкой стоимости, маховик было принято изготовить из кремнехромомарганцовистой стали:

где - плотность материала маховика; - объем маховика.

Исходя из условий безопасности, скорость вращения маховика была выбрана равной:

Поэтому

Выберем параметры маховика:

- высота маховика.

Рассчитаем объем маховика и его массу:

Тогда, момент инерции маховика будет равен:

В итоге, получим величину запасенной энергии:

Запасенная энергия получилась немного больше желаемой, что удовлетворяет нашим условиям.

1.7.1.3.2. Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит свое применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили, цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году.

В зависимости от электро-химической схемы литий-ионные аккумуляторы показывают следующие характеристики:

• Напряжение единичного элемента 3,6 В.

• Максимальное напряжение 4,2 В, минимальное 2,5-3,0 В. Устройства заряда поддерживают напряжение в диапазоне 4,05-4,2 В

• Энергетическая плотность: 110 … 230 Вт*ч/кг

• Внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/1Ач

• Число циклов заряд/разряд до потери 20 % ёмкости: 1000—5000

• Время быстрого заряда: 15 мин-1 час

• Саморазряд при комнатной температуре: 3 % в месяц

• Ток нагрузки относительно ёмкости (С):

  • постоянный - до 65С, импульсный - до 500С

  • наиболее приемлемый: до 1С

• Диапазон рабочих температур: -0 +60 °C (при минусовых температурах заряд батарей не возможен)

Компания Лиотех производит современные литий-ионные аккумуляторы номинальной емкости - 240, 380 и 770 А*ч, предназначенные для электротранспорта и энергетики.

LT-LYP 240	LT-LYP 380*	LT-LYP 770*

  *Выпуск аккумуляторов номинальной емкости 380 и 770 А*ч запланирован на 4-й квартал 2012 года.  При производстве аккумуляторов Лиотех использует наноструктурированный катодный материал литий-железо-фосфат (LiFePO4). Этот материал обеспечивает оптимальное соотношение цена/качество. Аккумуляторы на его основе имеют высокую плотность энергии, безопасны и просты при производстве, что делает их сравнительно недорогими и доступными.

Электрические характеристики аккумуляторов LT-LYP 240* при 25°С
Номинальная емкость, А*ч	240
Средне-рабочее напряжение, В	3,2
Внутреннее сопротивление АC test, mOm	<0,39
Удельная энергия по массе, Вт.ч/кг	90
Рекомендованные режимы эксплуатации
Непрерывный разряд, А	120
Ток заряда, А	48
Ток разряда в импульсе 30 сек., А Напряжение > 2,5 В	720
Ток разряда в импульсе 10 сек., А Напряжение > 2,5 В	1200
Максимальное напряжение заряда, В	3,7
Минимальное напряжение на аккумуляторе, В	2,8
Хранение при температуре, °С	от 0 до +40
Заряд при температуре, °С	от 0 до +30
Разряд при температуре, °С	от -20 до +30
Предельные рабочие режимы
Непрерывный разряд, А	720
Ток заряда, А	720
Максимальное напряжение заряда, В	3,7
Минимальное напряжение на аккумуляторе, В	2,8
Хранение при температуре, °С	от -40 до +50
Заряд при температуре, °С	от -10 до +50
Разряд при температуре, °С	от -40 до +50
Массо-габаритные характеристики
Длина, мм	163
Ширина, мм	117
Высота, мм	337
Масса, кг	8,6 +/-0,25
Ресурс, заряд/разряд при глубине разрядки до 80%, циклов	>3000
Саморазряд полностью заряженного аккумулятора при 28-сут. хранении (+25°С), % в месяц	<3

  *- Характеристики продукции могут быть изменены производителем, для уточнения данных обращайтесь в отдел продаж.

График 1. Зависимость напряжения от токов разряда 

График 2. Разряд номинальным током при температуре 20С

График 3. Количество циклов при 80% глубине разряда током 0,5C

Расчет аккумулятора:

Для расчета используем аккумуляторы LT-LYP 240.

Исходя из характеристик, энергия, запасенная в одном аккумуляторе, будет равна:

Тогда для обеспечения наших потребностей нам понадобятся N аккумуляторов:

Масса всех аккумуляторов будет равна:

1.7.1.3.3. Суперконденсаторы

Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора — несколько фарад, при номинальном напряжении 2—10 вольт.

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric. Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию«исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio,Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

Асимметричные электрохимические конденсаторы «Элтон» - новый класс накопителей энергии, который занимает функциональную нишу между традиционными конденсаторами и аккумуляторными батареями. Как продукт “зеленых” технологий, электрохимические конденсаторы способны быстро накапливать и отдавать энергию, в объемах на порядок превышающих аналогичные показатели для обычных конденсаторов. С другой стороны в отличие от аккумуляторов, электрохимические конденсаторы обладают высокой удельной мощностью, ресурсом не менее миллиона циклов заряда-разряда, не требуют технического обслуживания и надежно работают в условиях экстремальных температур. Эти и другие свойства электрохимических конденсаторов обеспечили им растущее применение в гибридном транспорте, в системах пуска двигателей внутреннего сгорания, в системах качественной энергии, а также в возобновляемой энергетике.

Особенность конструкции электрохимического конденсатора ЭЛТОН обеспечивает:

• Высокую плотность энергии и мощности (до 13 Втч/л и 6 кВт/л)

• Ресурс свыше 1 млн. циклов «заряд-разряд»;

• Срок службы свыше 15 лет и отсутствие обслуживания в течение всего срока эксплуатации

• Широкий диапазон рабочих температур (–50/+70 0С)

• Низкий уровень саморазряда

• Устойчивость к значительным перегрузкам по напряжению и перезаряду без выхода из строя

• Безопасность в эксплуатации

• Отсутствие материалов, опасных для здоровья и окружающей среды

При эксплуатации системы электрохимических конденсаторов ЭЛТОН не требуют внешних устройств выравнивания конденсаторов по напряжению (во время работы происходит самобалансировка элементов по напряжению в составе модулей). Модульная конструкция ЭКЭ позволяет, как и в случае аккумуляторных батарей собирать энергетические блоки на требуемые рабочее напряжение, мощность и запасаемую энергию. Модификации модулей электрохимических конденсаторов ЭЛТОН разработаны с учетом требований различных областей применения. Для особо напряженных режимов работы модуль оснащен системой охлаждения. Большой ассортимент производимой продукции (конденсаторы с емкостью от 100 Ф до 100 кФ) позволяет удовлетворить требования широкого круга потребителей.

Конструкция электрохимических конденсаторов ЭЛТОН защищена патентами в России и ряде зарубежных стран. Характеристики и качество конденсаторов подтверждены национальными институтами в России и профильными лабораториями в США.

Для нашего проекта, были рассмотрены конденсаторные модули 10ЭК303 U для систем качественной энергии фирмы Элтон.

Модули	10ЭК303 U
Применение	Конденсаторные модули для систем качественной энергии
Диапазон рабочих температур	-50C/+60C
Диапазон рабочих напряжений при +25С, В	14,5-7,25
Емкость, Ф	4500
Запасаемая энергия в диапазоне рабочих напряжений, кДж	355
Запасаемая энергия, кДж	506,25
Внутреннее сопротивление при +25С (-30С), мОм	2 (3)
Габаритные размеры (LхWхH), мм	538х205х260
Масса, кг	34

Расчет конденсаторных модулей:

Для расчета используем конденсаторный модуль 10ЭК303 U.

Исходя из характеристик, энергия, запасенная в одном модуле, будет равна:

Тогда для обеспечения наших потребностей нам понадобятся N аккумуляторов:

Масса всех аккумуляторов будет равна:

Таблица сравнения накопителей

Параметр	Накопитель
	Аккумулятор	Суперконденсатор	Маховик
Общая масса системы, , т	11,6	357,17	5,587
Техническое обслуживание	Не требуется	Не требуется	Плановая проверка и замена подшипников
Дополнительное обслуживание	Подогрев в зимнее время	Не требуется	Не требуется
Стоимость системы
Долговечность, лет	3-5	До 20	Более 20
Экологичность	Сложная утилизация	Экологичен	Экологичен

Вывод: Для системы ВЭУ был выбран маховиковый накопитель, так как у него наилучшие качества, необходимые для эксплуатации в северных районах. Можно выделить следующие преимущества: простота изготовления и технического обслуживания, долговечность, высокая степень экологичности оборудования.

Выбор редуктора для маховика

Так как скорость вращения вала генератора 1500 об/мин, а маховика 6000 об/мин, то необходим редуктор.

Выбор редуктора: Ц2У-200-4-12ЦХ2

Тип редуктора Ц2У (цилиндрический, двухступенчатый, универсальный)

Межосевое расстояние тихоходной ступени

Номинальное передаточное число

Вариант сборки 12

Вид выходного вала - цилиндрический

Климатическое исполнение – холодный климат

Категория размещения - 2

Номинальный крутящий момент