Метод и программно-технические средства автоматизированного мониторинга ветровых условий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Соловьев, Алексей Михайлович

• Соловьев, Алексей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соловьев, Алексей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ.

1.1. Геотермальная энергия.

1.1.1. Гидротермальные системы.

1.1.2. Горячие системы вулканического происхождения.

1.1.3. Системы с высоким тепловым потоком.

1.2. Энергия солнца.

1.3. Переработка биомассы.

1.4. Гидроэнергетика.

1.5. Низкопотенциальные источники тепловой энергии.

1.6. Энергия ветра.

1.7. Общее сравнение источников альтернативной энергетики.

Тенденции ее развития.

ГЛАВА 2. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА: ИСТОРИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Энергия ветра в древности, в средние века, новое время.

2.2. Энергия ветра в XX веке.

2.3. Причины возникновения ветров, их характеристики.

2.4. Типы ветродвигателей, их конструктивные и эксплуатационные особенности

2.4.1. Крыл ьчатые.

2.4.2. Карусельные.

2.4.3. Ортогональные.

2.4.4. Нетрадиционные способы получения электроэнергии из энергии ветра.

2.5. Современная ситуация в ветроэнергетике. Ее плюсы и минусы.

2.6. Основные области практического применения ветроагрегатов.

2.7. Особенности использования энергии ветра в Центральной России.

2.8. Мониторинг ветровых ресурсов. Скорость ветра.

Методика её определения для конкретных местностей.

2.9. Существующие приборы для измерения скорости ветра.

2ЛО.Определение параметров функции Вейбулла.

2.11 .Оценка мощности ветрового потока для конкретных местностей.

2.12.Расчет реальной мощности ветроагрегатов. Анализ возможных путей её повышения.

2.13.Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА И СПОСОБА МОНИТОРИНГА ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ВЕТРОВЫХ УСЛОВИЙ НА МЕСТНОСТИ.

3.1. Модернизация существующих конструкций.

3.2. Разработка принципиальной схемы, проектирование и изготовление повой конструкции.

3.3. Программная обработка сигналов, получаемых от интерфейсной платы.

3.4. Перевод числа импульсов К, выдаваемого драйвером Directlnput, в обороты вала средства измерений.

3.5.Опытное определение механических характеристик установки.

3.5.1. Момент инерции вала и жестко связанных с ним деталей.

3.5.2. Экспериментальное исследование трения в подшипниках вала прибора.

3.6. Математическая модель прибора. Установившийся и неустановившийся режимы движения.

3.7. Экспериментальное исследование зависимости wycm(v) для установившегося режима.

3.8. Способ расчета действительной скорости ветра при неустановившемся режиме

3.9. Способ определения зависимости ^ | уст (со).

3.9.1. Экспериментальное измерение момента сил трения дополнительного тормоза.

3.9.2. Экспериментально-расчетное определение частной производной /уст(оу) путем исследования установившихся режимов.

3.10. Программа Wind Capture для первичной обработки и мониторинга ветровых условий.

3.10.1. Назначение, основные программные и системные требования.

3.10.2. Файловая структура и содержание исходного кода программы

Wind Capture.

3.10.3. Порядок работы с программой Wind Capture.

ГЛАВА 4. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭМПИРИЧЕСКИХ ДАННЫХ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВЕТРОВЫХ УСЛОВИЙ.

4.1. Расчет основных вероятностных характеристик исследуемой случайной величины

4.2. Восстановление функции плотности для двухпараметрического закона Вейбулла.

4.2.1. Общая постановка задачи и обоснование путей её решения.

4.2.2. Выбор численного метода решения поставленной задачи оптимизации.

4.3. Определение оптимального рабочего диапазона скоростей ветра для конкретных ветровых условий.

4.4. Оценка надежности ветроагрегатов.

4.4.1. Общие проблемы надежности ветроагрегатов.

4.4.2. Проверка надежности ветроагрегата.

4.5. Программа Wind Analyze для обработки данных о скорости ветра, записываемых программой Wind Capture.

4.5.1. Назначение, программные и системные требования.

4.5.2. Файловая структура и содержание исходного кода программы Wind Analyze

4.5.3. Блок-схема программы.

4.5.4. Порядок работы с программой Wind Analyze.

4.5.5. Сравнение результатов работы программы Wind Analyze со стандартными пакетами статистических программ.

4.6. Разработка конструкции ветроагрегата для условий Центральной России.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод и программно-технические средства автоматизированного мониторинга ветровых условий»

Ухудшение экологической обстановки и исчерпание природных ресурсов ставят на повестку дня их постепенную замену альтернативными возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Самыми перспективными и распространенными ВИЭ являются энергия ветра энергия солнца и биомасса. На сегодняшний момент, по данным Института технической теплофизики НАН Украины, наиболее привлекательными источниками энергии являются ветро- и фотоэлектроустановки, себестоимость производимой энергии у которых наиболее низкая.

По данным Росгидрометцентра, в среднем 3/5 дней в году на территории Центральной России являются облачными, поэтому резко снижается интенсивность солнечного излучения в зимнее время. Все эти факторы делают применение фотоэлектроустановок в качестве источников энергии неоптимальными для российских потребителей. Также к отрицательным сторонам подобных установок можно отнести практически полное прекращение выработки энергии в ночное время суток.

Наиболее привлекательным альтернативным источником энергии в Центральной России являются ветроагрегаты. Основная проблема центра России заключается в невысокой скорости ветра в большинстве регионов. Например, в Подмосковье она равна 4,8 м/с. Потому необходимо очень избирательно относиться к установке ветроагрегатов.

Однако приборов, позволяющих оценить реальную ветровую картину в определенной местности, не так уж и много. Большая часть из них - это различные ручные анемометры, главным недостатком которых является необходимость в постоянном присутствии человека. Термоанемометры являются достаточно точными приборами (с приведенной погрешностью до 0,5 %), но зависят от температуры окружающей среды и предназначены для применения в закрытых помещениях, так как загрязнение нити накала будет препятствовать теплообмену между ней и воздушным потоком. Также в работе изучены метеостанции, используемые в настоящее время для экологического мониторинга на территории России: М-49 и ATM. Метеостанция позволяет измерять скорость и направление ветра, влажность воздуха, уровень осадков, а в случае ATM - еще и уровень солнечной радиации. Но обе эти метеостанции также не подходят для решения поставленной в диссертации задачи, потому что метеостанция М-49 для замеров и подготовки к работе требует присутствие человека, a ATM - обладает слишком низкой частотой замера скорости ветра (1 раз в час) и хранит данные о мгновенных скоростях ветра в течение до 1 месяца.

На точности исследования реальных ветровых условий во многом сказывается следующее обстоятельство: градуировка измерительных приборов осуществляется при постоянных скоростях ветра, однако в реальных условиях как величина, так и направление ветра постоянно изменяются. Резкие порывы являются главной причиной разрушения наземных конструкций, в том числе - и ветроагрегатов. Инерционность механических процессов, используемых при измерении скорости ветра, вносит значительную динамическую погрешность в результаты, что приводит к искажению показаний, наиболее существенных с точки зрения оценки прочности конструкций и их устойчивости под порывами ветра.

Поскольку скорость ветра во всех существующих приборах измеряется косвенно путем регистрации ее воздействия па некоторые промежуточные механические тела, либо физические процессы, то возникает следующая проблема. Инерционность промежуточных тел либо процессов существенно искажает получаемые косвенные данные о скорости ветра при ее резких изменениях. Поскольку мощность ветрового потока зависит от куба скорости ветра, то несложно показать, что ошибка в 10 % при определении скорости дает более чем 30 % ошибку при определении мощности. Поскольку именно от величины мощности ветрового потока зависит экономическая эффективность и надежность ветроагрегатов, а надежность конструкций под ветровой нагрузкой - от полноты данных по локальным ветровым условиям с целыо регистрации порывов ветра и высокочастотных пульсаций скорости потока, то важной задачей является уточнение показаний приборов при неустановившихся режимах изменения скорости ветра за счет учета инерционности процессов, происходящих в приборе при выполнении измерений.

Полпота и точность представления локальных ветровых условий позволяет решить две большие проблемы:

1) Расчет энергетической эффективности ветроагрегата.

2) Проверка надежности конструкции под действие ветровой иагрузки.

Ветроагрегаты являются довольно дорогостоящими конструкциями. Правильно подобранный ветроагрегат в данных ветровых условиях будет достаточно продолжительное время работать в рабочем режиме и выдавать достаточное количество энергии по стоимости, удовлетворяющей потребителей. Если производительность окажется низкой, то может недопустимо вырасти стоимость энергии, что делает применение ветроагрегатов экономически невыгодным.

Вторая проблема обусловлена воздействием порывов ветра и предельных скоростей на конструкцию, установленную на открытой местности. Полнота представления локальных ветровых условий позволяет регистрировать как кратковременные (шквальные) порывы ветра длительностью до 3 с, так и обычные порывы ветра длительностью до 10 с, что позволяет осуществить расчет ветровой нагрузки па конструкцию и определить, является ли данный порыв ветра опасным для нее.

Обоснованное решение этих двух проблем может быть выполнено только на основе достаточно подробного изучения ветровых условий. В настоящее время данные проблемы решаются в основном по средней скорости ветра vcp. Составлены укрупненные карты территории Российской Федерации, например, [24], показывающие усредненную величину vcp по всех регионах.

Однако оценка ветровых условий по величине vcp при прогнозировании экономической эффективности ветроагрегатов и надежности конструкций явно недостаточна по следующим причинам.

1. В пределах одной и той же местности средняя величина скорости ветра может существенно изменяться. Например, в приподнятых местах, па берегах крупных водоемов она существенно выше усредненных величин. Эти особенности распределения ветров издавна использовали, в частности, при установке мельниц. Поэтому данные атласов могут служить лишь некоторым начальным ориентиром при оценке вышеупомянутых факторов.

2. При одинаковой vcp для различных местностей характер ветров, который можно оценить, в частности функцией плотности распределения скорости ветра p(v) или повторяемостью скоростей ветра, может значительно различаться. Функция p(v) существенно влияет как на экономическую эффективности, так и на надежность ветроагрегатов. При этом, как показано в гл. 4, при оценке надежности наряду со статистическим подходом необходимо применять и нестатистические методы оценки.

Точная характеристика ветров в рассматриваемой местности может быть получена только при измерении мгновенных значений скорости ветра через достаточно малые промежутки времени At, например, секунду, в течение длительных периодов времени (месяцы, год). Естественно, выполнение такого большого объема измерений и их регистрация может быть выполнено только при помощи специального оборудования. Как показывает анализ существующих конструкций анемометров, они не могут быть применены для решения данной задачи.

При выборе типа ветроагрегатов для установки в конкретной местности существенным вопросом является определение диапазона скорости ветров [vH04 , vK0H], содержащего основную долю энергии. Для эффективной работы ветроагрегата в данной местности его рабочий интервал скоростей ветра должен быть близок к [vHaH, vK0H].

При оценке надежности конструкций под действием ветровой нагрузки был предложен метод, несколько отличающийся от общепринятого и в большей степени учитывающий механику самого процесса разрушения механических конструкций. Предложено помимо учета предельной скорости ветра учитывать также работу, совершаемую порывами ветра.

Поскольку точность определения локальных ветровых условий определяет качество экологического мониторинга, то учет поправок к показаниям анемометра также является актуальной задачей. Период наблюдений большинства современных метеостанций не превышает 1 месяца, но зачастую, для прогнозирования, необходим более длительный период наблюдения, поскольку ветер подвержен сезонным изменениям.

Целыо работы является разработка с учетом возможностей современной вычислительной техники и программных продуктов метода и программно - технических средств для экологического мониторинга ветровых условий.

Научная новизна

1. Предложен экспериментально-расчетный способ устранения влияния динамической погрешности на показания средства измерений для экологического мониторинга ветровых условий.

2. Разработан эксперимеитально-расчетпый способ определения частной производной SN/Sv суммарной мощности момента сил N, действующих на вал средства измерений, по скорости ветра v.

3. Предложен способ определения оптимального по скорости ветра диапазона работы ветроагрегата для конкретных локальных условий.

4. Предложен метод проверки надежности конкретных ветроагрегатов и конструкций по локальным ветровым условиям.

Практическая ценность

1. Разработана конструкция автоматического прибора для измерения и регистрации мгновенных значений скорости ветра в течение длительного времени, а также последующего определения действительных значений измеренных величин.

2. Изготовлен опытный образец данного средства измерений и на нем проведен полный комплекс испытаний.

3. Разработана программа WindCapture, обеспечивающая мониторинг мгновенных скоростей ветра.

4. Разработана программа WindAnalyze, позволяющая:

• программно реализовать определение действительных значений скоростей ветра,

• производить статистический анализ локальных ветровых условий,

• определять по локальным ветровым условиям с использованием основных статистических критериев коэффициенты двухпараметрического распределения Вейбулла,

• рассчитывать ветроэнергетический потенциал местности,

• определять оптимальный по скорости ветра рабочий диапазон для ветроагрегатов,

• рассчитывать действительную среднюю мощность ветроагрегатов конкретных типов.

5. Разработана конструкция ветроагрегата для применения в условиях Центральной России.

Полученные в работе научные и практические результаты позволяют на основе использования современной вычислительной техники и программного обеспечения уточнить динамическую составляющую погрешности измерений реальных ветровых условий на местности, автоматизировать выполнение всех соответствующих измерительных операций и последующий анализ получаемого массива данных применительно к задачам экологического мониторинга ветровых условий.

Разработанный программный комплекс ДСАВУ (Диалоговая Система Анализа Ветровых Условий) является комплексным продуктом, оп осуществляет съем, уточнение, анализ и оценку ветровых данных, получаемых от цифрового анемометра. Данные о скорости ветра сначала преобразуются анемометром в цифровой сигнал, далее они поступают в ПК, где записываются в файл специального формата. В дальнейшем программа может анализировать и уточнять мгновенные значения скорости в файле. Анализ позволяет ответить на ряд важных для мониторинга ветровых условий вопросов: каков реальный ветровой потенциал у исследуемой местности, насколько эффективно будет в этой местности работать конкретный ветродвигатель, целесообразна ли установка конструкции с заданными характеристиками в местности с определенными ветровыми условиями. Существующая в программе система мастеров позволяет восстановить по экспериментальным данным параметры функции Вейбулла, которая активно используется в современной ветроэнергетике для оценки мощности ветрового потока и прогнозирования мощности ветроагрегатов. Так что созданный программный продукт представляет собой нужный и полезный инструмент для автоматизации измерения и последующей обработки данных о мгновенных скоростях ветра.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Соловьев, Алексей Михайлович

Заключение

1. Изучены существующие приборы для измерения скорости ветра и показано, что они пе удовлетворяют условиям поставленной задачи.

2. Разработана конструкция средства измерений (диапазон измерений - 0-25 м/с; чувствительность - 72,4 имп • с/м; предел основной приведенной погрешности -2,9 %; габариты - 0,15x0,10x0,15 м, скорость измерения - до 1000 раз в секунду.), способного обеспечить автоматическое непрерывное измерение и регистрацию мгновенной скорости ветра в течение до одного года, а также последующий расчет действительных значений скорости ветра.

3. Изготовлен опытный образец данного средства измерений и на нем отработана методика измерений и выполнен полный комплекс натурных испытаний.

4. Разработан экспериментально-расчетный способ определения действительных значений скорости ветра для его неустановившегося режима движения, практически реализованный на разработанном средстве измерений. На способ уточнения мгновенных скоростей ветра получен патент РФ № 2249220.

5. Предложен способ определения оптимального диапазона работы ветроагрегата для конкретных ветровых условий.

6. Предложен метод проверки надежности конструкций по уточненным скоростям ветра.

7. Предложена новая конструкция ветроагрегата для условий Центральной России. На конструкцию ветроагрегата получен патент РФ № 2248466.

8. Разработана программа WindCapture, обеспечивающая автоматическую регистрацию и запись данных о мгновенных скоростях ветра.

9. Разработана программа WindAnalyze, позволяющая:

• программно определять действительные значения скоростей ветра;

• производить статистический анализ скоростей ветра;

• определять по ним с использованием основных статистических критериев коэффициенты двухпараметрического распределения Вейбулла;

• рассчитывать ветоэпергетический потенциал местности;

• определять оптимальный по скорости ветра рабочий диапазон;

• рассчитывать действительную среднюю мощность ветроагрегатов конкретных типов.

10. Разработан экспериментально-расчетный способ определения частной производной суммарной мощности момента сил N, действующих на вал средства измерений, по скорости ветра v.

11. Предложен алгоритм расчета энергетического потенциала данной, для сравнения различных географических точек и выявления наиболее выгодной, с точки зрения выработки энергии ветроагрегатом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соловьев, Алексей Михайлович, 2006 год

1. Caring for the Earth. A Strategy for Substainable Living. Gland, Switzerland: IUCN-UNEP-WWF, 1991.-30 c.2. basse Makkonen, Timo Laakso. Modeling and prevention of ice accretion on wind turbines, Wind Engineering, № 1, 2001. c. 48.

2. Mills D. Boom-time for renewable energy in Europe. Solar Progress, № 2, 2000. c. 14.

3. One law for all renewable energies, Renewable Energy Journal. № 10, 2000. - c. 10.

4. Quincy Wang, Liuchen Chang. PWM control strategies for wind turbine inverters, Wind Engineering, № 1, 2001.-е. 40.

5. Robert Kahn. Wind Energy: On its way, Independent Energy. Tulsa, Mar 2000. - 37 c.

6. Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems, the European experience. Geo HeatCenter Bull, № 21/1, 2000. -c. 61.

7. Sanner В., Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). 2002.-c. 128.

8. Авраменко В.В. Использование токов смещения. Изобретатель рационализатор, №5, 1992.-е. 12.

9. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. Учебное пособие. М.: Высш.школа, 1994. - 554 с.

10. И. Артоболевский И.И., Юдин В.А., Петрокас JT.B. Теория механизмов и Машин. М: Образвание, 1979. - 460 с.

11. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 5. М: Бином, 2000. - 1151 с.

12. Аттетков А.В., Галкин С.В., Зарубин B.C. Методы оптимизации. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. - 440 с.

13. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы.: Пер. с англ. М.: Мир, 1982.-583 с.

14. Безруких П.П. Аналитический доклад "Нетрадиционные возобновляемые источники энергии". Электронный журнал ЭСКО, http://esco-ecosys.narod.ru/ 20035/artl 8.htm.

15. Безруких П.П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. -М.: Наука, 2002. 174 с.

16. Белецкий Я. Энциклопедия языка С. -М: Мир, 1992. 686 с.

17. Брандт 3. Статистические методы анализа наблюдений.: Пер. с англ. М.: Мир, 1975.-312 с.19.