Вітросонячні системи електроживлення малопотужних споживачів
No Thumbnail Available
Date
2016
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Національний університет "Львівська політехніка"
Abstract
Дисертація присвячена розробленню методу та відповідного математичного і програмного забезпечення, що дають змогу проводити імітаційне погодинне моделювання річної роботи досліджуваних вітросонячних систем електроживлення (ВССЕ) різних структур на основі створеної електронної бази метеорологічних даних. Для генерування електроенергії у ВССЕ використовуються вітроелектрична установка (ВЕУ) з вертикальною віссю обертання (ВВО) та фотоелектрична установка. Ціллю розробленого методу є здійснення параметричної оптимізації елементів ВССЕ з використанням генетичних алгоритмів за обґрунтованими критеріями ефективності їх роботи. Практичну цінність має нова конструкція ВЕУ з ВВО та концентратором вітропотоку, оптимальні параметри якої знайдено в результаті комп’ютерного моделювання аеродинамічних процесів.Визначено оптимальні для м. Львова значення кутів нахилу фотоелектричних панелей (ФЕП) при стаціонарному їх встановленні та за азимутального стеження ФЕП за сонцем. Розроблено та досліджено шляхом комп’ютерного симулювання нову систему активно-пасивного керування навантаженням синхронного генератора з постійними магнітами у ВЕУ з ВВО, яка дає змогу застосувати недорогий електронний перетворювач постійної напруги зі встановленою потужністю втричі меншою за номінальну потужність ВЕУ. Створено також електромагнітний перетворювач механічної енергії в теплову як додатковий теплогенератор на валу вітроротора ВЕУ для безпосереднього перетворення надлишкової енергії вітру в теплоту, необхідну для побуту. Диссертация посвящена разработке метода и соответствующего математического и программного обеспечения, которые позволяют проводить имитационное почасовое моделирования годовой работы исследуемых ветросолнечных систем электропитания (ВССЭ) различных структур на основании созданной электронной базы метеорологических данных. Для генерирования в ВССЭ используются ветроэлектрическая установка (ВЭУ) с вертикальной осью вращения (ВОВ) и фотоэлектрическия установка. Целью разработанного метода является осуществление параметрической оптимизации элементов ВССЭ с использованием генетических алгоритмов по обоснованным критериям эффективности. Практическую ценность имеет новая конструкция ВЭУ с ВОВ и концентратором ветрового потока, оптимальные параметры которой найдены в результате компьютерного моделирования аэродинамических процессов. Определены оптимальные для г. Львова значения углов наклона фотоэлектрических панелей (ФЭП) при стационарной их установке, а также в системе с азимутальным слежением ФЭП за солнцем. Разработанная и исследованная путем компьютерного симулирования новая система активно-пассивного управления нагрузкой синхронного генератора с постоянными магнитами в ВЭУ с ВОВ позволяет применить недорогой электронный преобразователь постоянного напряжения с установленной мощностью втрое меньшей за номинальную мощность ВЭУ. Создано также электромагнитный преобразователь механической энергии в тепловую в качестве дополнительного теплогенератора на валу ветроротора ВЭУ для преобразования избыточной енергии ветра в теплоту, необходимую для бытових целей. The dissertation is devoted to development of methods and appropriate mathematical modeling and software providing that gives an opportunity to conduct the hourly simula-tion modeling of yearly work of wind and solar power supply systems (WSPSS) of differ-ent configurations based on the created database of meteorological data and energy re-quirements of the consumer. As channels of generating electricity from renewable energy sources in WSPSS used, respectively, wind turbine with a vertical axis of rotation (VAWT) and photovoltaic installation with the possibility of azimuth orientation of photovoltaic panels (PV) to the sun. The aim of the developed method also is the implement-ing of parametric optimization procedure – genetic algorithms for the parametric optimiza-tion of different configurations of WSPSS on the performance criteria in a really quick space frame. The algorithms of work developed for three variants of the WSPSS: autonomous, grid-connected and combined autonomous – grid-connected. For two last of them a new criterions for estimation of energy efficiency have been introduced, respectively, total in-come of energy sold (TIOES) and cost of the system (COS). Calculation of each of the cri-terions is based on detailed value analysis of the WSPSS components with taking into ac-count the discount and inflation rates. The detailed algorithms for the calculation of the energy efficiency criterions were also developed for each of the WSPSS and the examples of multiple parametric optimizations were showed. Combined autonomous – grid-connected WSPSS is promising for use in Ukrainian domestic houses that are not using gas for heating in the conditions of quick raise of gas price, where centralized electricity grid can be used as the reserve energy source. With the using of proposed combined WSPSS the consumer will get the desired amount of electric energy with best quality and without power interrupting, will save money for small electricity consumption from the grid (because of using renewable energy sources) and at the same time will invest in ecol-ogy on Earth. The functional electrical scheme of this system was also developed, which can be used for the implementation in the alternative energy sector of Ukraine by technical firms. The practical importance has a new design of VAWT with stationary concentrator of wind flow (CWF), optimal parameters of which have been found through the computer modeling of aerodynamic processes by using a finite element method. The optimal sea-sonal and annual, for the city of Lviv, values of angles inclination of PV for it’s stationary installing and with azimuth tracking of the panels to the sun also were found. A new sys-tem of combined active–passive load control of synchronous generator with permanent magnets in VAWT was designed, in which was used inexpensive electronic DC-DC con-verter with a corrector of armature currents and with installed capacity of less than three times of wind turbine power. Also in work is proposed the usage of the created electro-magnetic transformer of mechanical energy into heat (ETMEH) as an additional heat gen-erator that is mounted on the rotor shaft of the VAWT for converting excess mechanical power from wind into heat. Conducted, in highly adequate Computational Fluid Dynamics software, computer modeling of aerodynamic processes during rotation of VAWT rotor combined with KWF showed the positive effects of using the latter which consisted in improving both starting and working characteristics of VAWT. That was confirmed also by experimental research-es conducted with the created sample of VAWT. The results of experimental studies on created sample of the blocks of electric and heat generators for VAWTs confirmed the adequacy of the respective results of mathemat-ical models of ETMEH design.
Description
Keywords
вітросонячні системи електроживлення, вітроелектрична установка з вертикальною віссю обертання, фотоелектрична панель, синхронний генератор з постійними магнітами, техніко-економічна оптимізація, генетичні алгоритми, ветросолнечные системы электропитания, ветроэлектрическая установка с вертикальной осью вращения, фотоэлектрическая панель, синхронный генератор с постоянными магнитами, технико-экономическая оптимизация, генетические алгоритмы, wind and sun power systems, wind power turbine with vertical axis of rota-tion, photovoltaic panel, synchronous generator with permanent magnets, technical and eco-nomic optimization, genetic algorithms
Citation
Климко В. І. Вітросонячні системи електроживлення малопотужних споживачів : дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук : 05.09.03 – електротехнічні комплекси та системи / Володимир Іванович Климко ; Міністерство освіти і науки України, Національний університет “Львівська політехніка”. – Львів, 2016. – 209 c. – Бібліографія: с. 174–195 (190 назв).