диплoмна1

ТУ Варна Дипломна работа лист 1

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ-гр.ВАРНА

ФАКУЛТЕТ ПО ИЗЧИСЛИТЕЛНА ТЕХНИКА И АВТОМАТИЗАЦИЯ

КАТЕДРА АВТОМАТИЗАЦИЯ НА ПРОИЗВОДСТВОТО

ДИПЛОМНА РАБОТА

ТЕМА:Информационно измервателна система за оценка на ветровия потенциал

ръководител:................./гл.ас.д-р П Манасиев/дипломант...................../Христо Русев/

дата на предаване:


Увод

В съвременната енергетика се засилва стремежът към използването на нови,

нетрадиционни, екологично чисти и възобновими източници на електроенергия,

разширявайки по този начин общия енергоресурс с икономически рентабилни

източници на енергия. Като такива могат да се посочат енергията на вятъра,

малките хидроизточници, слънчевата енергия, геотермалните води, енергията на

вълните, приливите и др.

Едно от перспективните направления в тази област е ветроенергетиката.

Използването на енергията на вятъра се осъществява по многобройни начини по

отношение вида на получената енергия.Разработени и използвани са следните

преобразувания на кинетичната енергия на вятъра:

– в механична енергия с въртеливо и постъпателно движение;

– в електрическа с нестабилни параметри – променливотокова и

постояннотокова – с възможност за директно използване, за акумулиране или

преобразуване в друг вид енергия – топлинна, химична и др.;

– електрическа със стабилни параметри – за непосредствено промишлено или

битово използване.

Въпреки напредналостта си, вятърно-турбинната технология е навлязла досега

при електрическото снабдяване на обекти и райони само в напредналите страни –

САЩ, Дания,Германия, Норвегия, Холандия,Швейцария, Великобритания и др.,

където правителствата стимулират пазара на вятърната енергия чрез отпускането

на субсидии, налагането на такси за замърсяване и др.В този смисъл се явяват

актуални въпросите, свързани както с технологичното усъвършенстване и

снижаването на разходите, така и с разширяването на географските области на

приложение на ветроенергетиката, в това число и у нас.


ГЛАВА I

ОБЗОРНО ПРОУЧВАНЕ НА УСТРОЙСТВА И СИСТЕМИ ЗА

ВЕТРОМОНИТОРИНГ

1.1 Същност на ветроенергопреобразуването и особености при изграждането

на ветроагрегати.

В последните години, с развитието на научно-техническият прогрес и

усъвършенстване на научно-техническата политика в глобален мащаб, у нас

с особена важност се поставят за решаване въпросите, касаещи използването

на ветровата енергия. С усъвършенстването на съществуващите и създаване

на нови технологии, издигането на нивото на техническата въоръженост във

всички сфери на материалното и нематериалното производство се преследва

решаването, наред с другите социално-икономически аспекти, и на въпроса

за снижаване на енергоемкостта и рационалното използване на

електроенергийните ресурси.

Същността на ветроенергопреобразуването се състои в преобразуването

на кинетичната енергия на ветровия поток в механична такава, с последващо

преобразуване в друг вид в зависимост от изискванията на потребителя

(консуматор). Основното преобразуване извършващо се в т.н. ветроенергиен

агрегат (ВЕА) е преобразуването на част от кинетичната енергия на

въздушния поток (ВП) в механична енергия. Известно е, че кинетичната

енергия на движещата се маса m нараства пропорционално на квадрата на

своята скорост в съответствие с израза:

Е=m2 /2 [Nm] (1.1)


Ако се движи въздух с обем V, плътност и маса m=.V, то неговата

кинетична енергия е:

Е=2V/2 [Nm] (1.2)

Ако площта перпендикулярна на ВП се означи с S, то за 1s през нея

преминава въздух с обем V=S. Мощността на ВП (P), преминаващ през

напречно сечение с площ S, е равна на произведението от тази площ,

скоростта на потока и кинетичната му енергия за единица обем (2/2),

т.е. мощността зависи от 3

P=S2/2 = S3/2 [W] (1.3)

В най-общия случай обобщената блокова схема на един ВЕА може да се

представи с фиг.1.1. където условно са означени ВТ - ветротурбина, МПЧ -

механично преобразуваща част, ВД - ветродвигател, ПЕ - потребител на вид

енергия, както и мощностите и коефициентите съпровождащи

преобразуванията на енергия.

фиг. 1.1

Коефициентът на използване на енергията на вятъра за такива системи

се определя от отношението на енергията (механична), приета от ВТ, към

пълната енергия на потока, преминаващ през ометаемата площ на ВТ [1].

Изразен чрез мощностите този коефициент Pвт се представя с (1.4):

Рвт

ВТ()

МПЧ(м)

ПЕ()

Рп

Рвд

ВД

Р()


(1.4)

където Pвт е мощността на изхода на турбината, намираща се във въздушния

поток (с ометаема площта S и мощност Р съгласно (1.3)).

Мощността на ветротурбината се представя с (1.5):

Рвт = SV3/2 (1.5)

При зададена аеродинамика на лопатките на ветротурбината, се явява

функция на отношението на периферната скорост на края на лопатките (U)

и скоростта на вятъра (). То се нарича бързоходност или модулно число

(Z) и се явява основен параметър при дефиниране на основните

аеродинамични и енергетични характеристики на ВЕА – (1.6), където: и R

са съответно ъгловата скорост и радиусът на ВТ.

На базата на теоремите на импулсите [3] може да се покаже, че

максимално количество енергия на ВП, което може да бъде използвано от

ВД по описания по-горе начин съставлява само част от кинетичната енергия

на този поток. Приемайки редица опростяващи допускания за полето на

течението на ВП, Бетс формулира теорема, имаща важно значение за

оценяване на използваната енергия на вятъра: “Идеалният ВЕА, т.е. агрегат

работещ без загуби, имащ хоризонтална ос на въртене на ветроколелото от

пропелерен тип и ометаема площ S, може да преобразува в механична

енергия не повече от 16/27 от енергията на преминаващия ВП, като при това

скоростта му намалява 3 пъти” [3].

За “идеалната” ветротурбина, при безвихров и безвискозитетен (без

триене) въздушен поток максималният коефициент на използване се

определя като =0,593. В действителност, в реални условия този

коефициент се редуцира вследствие на загубите по четири основни

причини: завихрянето на потока зад турбината, триенето с лопатковия

профил, граничните явления в краищата на лопатките и неоптималния

(1.6)


“1”

профил на въздушния поток. Схематичното представяне на

аеродинамичните загуби е показано на фиг.1.2, където са показани

зависимостите (Z) – (‘‘1’’ е реалната):

фиг.1.2

Ако трябва да се характеризира ВТ с нейните основни входни и изходни

величини, техният произход и характер, то в общия случай е в сила

обобщението показано на фиг.1.3 [ 3].

В случая се имат предвид (освен въведените вече) следните означения:

– ъгъл на завъртане на лопатките на ВТ; – ъгъл на завъртане на сечението

ВТЕнергоносител () Изходни величини

(Рвт, Мвт)

Параметри на ветроагрегата

(вт, , )

Специфични параметри на лопатките

фиг.1.3

коефициент на използване0,593

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0 2 4 6 8 10 12 14 бързоходност Z

зави триен гран.явления

профил на потока


(S) на ВТ; Мвт() – моментът предаван от ВТ. Специфични параметри на

лопатките са различните аеродинамични коефициенти (са, с, Vл, tл).

Независимо от голямото конструктивно разнообразие (едно – и

многолопаткови от пропелерен тип, барабанни, с или без дифузори или

концентратори, тип Дарие с различен профил, тип Савониус, тип Жиромил,

тип Мусгров, турбинен тип и др.) ВТ се класифицират в два основни класа:

с хоризонтална ос на въртене и с вертикална ос на въртене. Най-голямо

разпространение са намерили ВТ с хоризонтална ос и от пропелерен тип

(най-често двулопаткови и трилопаткови).

Една от основните аеродинамични характеристики на ВЕА е

зависимостта на относителния момент развиван и предаван от ВТ (М*) от

бързоходността (Z) – фиг.1.4. На същата фигура е показана и примерна

зависимост на от Z, която е особено важна при формулиране на

режимните особености и оценка на енергетичните възможности на ВЕА.

фиг. 1.4

Номиналният относителен въртящ момент се определя от Zн –

“номиналното” модулно число (при което = max). Максималното


натоварване на ВТ се определя от (Zmax) . Както се вижда от

характеристиките, с нарастването на модулното число (Z>Zн) предаваният

момент намалява, като в известни граници ВТ все още работи с висок ,

който след това рязко спада до нула при Z = Z0, ((Z) = 0). Ако за проектен

(работен) е приет режима на работа на ВТ при max (точки А, В, С), то в

областите надясно от правата АС ще се разполагат режимите при скорости

на вятъра по-малки от проектната <п, а в областите наляво от АС –

режимите при >п (п – проектна скорост на вятъра).

Мощността и моментът на конкретна ВТ се дават чрез следните

зависимости (с отчитането на 1.6):

(1.7)

(1.8)

или чрез : (1.9)

Сравняването на (1.8) и (1.9) разкрива и основното съотношение при

построяването на аеродинамичните характеристики, а именно:

(1.10)

1.2 Ветрови потенциал и мониторинг.

Вятърната енергия днес се нарежда сред най-бързо развиващите се браншове

на енергиината технология на света..Вятърната енергия има изключително голямо

значение за електрификация на селски райони,особенно места,където няма

конвекционално електроснабдяване.Тъй като ветровете по същността си са


циклични(нощни/дневни,сезонни),нестабилни,и обусловени от микроклимата,

метеорологията и т.н. не е възможно да се осигури постоянно снабдяване в

изолирани системи,поради което решенията за локално потребление се ориентират

към свързването или създаването на мрежис друга подържаща система,тоест

смесени системи.За доброто планиране и развитие на ветроенергийната практика

са необходими дългогодишни статистически измервания (ветромониторинг) на

характеристиките на ветровия поток - като скоростта, посоката на вятъра,

плътността на въздуха, енергийния потенциал.

Метеорологичните данни за скоростта и посоката на вятъра са

стандартизирани бази данни и се събират на основание едноразмерни измервания

на скоростта на вятъра, която се характеризира с една посока и сила в едно

измерение. Описаният начин на представяне на вятъра е напълно достатъчен, за да

се анализира макродвижението на въздушни маси над дадена област или страна за

целите на метеорологичните прогнози. Поради въртенето на Земята

(Кориолисовите сили) и охлаждането на атмосферата от екватора към полюсите,

глобалните ветрови посоки, които се различават от локалните (хоризонтални)

посоки (съответно сила или скорост на вятъра), в северното полукълбо (където е и

нашата страна) се усилват в посока от северозапад към югоизток..

Локалните посоки на вятъра не са достатъчни за детайлно определяне на

енергийният потенциал на вятъра и съответно необтходимите за ветроенергетиката

характеристики. За да може да се получи пълна обемна картина на движението на

въздуха в една изследвана точка е необходимо да се установят и анализират

скоростите на вятъра в трите основни равнини, т.е. да се направи обемен (т.нар.

3D) ветроанализ. Тези съотношения се наричат диференциални характеристики,

при които се вземат под внимание пропорциите между измерените абсолютни

стойности, а не самите стойности. Именно пропорциите зависят съществено от

релефните и топографски локални особености. Комбинираното използване на

статистическите метеорологични данни и измерените по 3D-метода позволява

многократно по-бързо да се получат достатъчно достоверни резултати за

ветроенергийния одит.

http://www.b2b.bg/../../Documents%20and%20Settings/ceo11/My%20Documents/WWW%20starton.150m.com/3D.html


За тримерен ветродинамичен анализ на движещия се въздух със скорост в

аеродинамиката е приета тримерната координатна система на Декарт(фиг1.5). В

нея векторът на вятъра V се проектира върху двойка взаимно перпендикулярни

оси X Y в хоризонтална равнина. А във вертикална посока проекцията на V е по ос

Z. Тази добре позната триосева координатна система е ориентирана с остта си X на

север. Посоката на вятъра се дефинира с ъгъла между проекцията му Vx и Vxop.

Vy и Vz са останалите две проекции на вектора на вятъра V. При така

дефинираната система, резултантният (действителният) вятър V е векторна сума от

проекциите си по трите оси, а хоризонталният вятър - векторен сбор от Vx и Vy.

Такъв диференциран анализ позволява правилния избор на всяка еднороторна

хоризонтално осева ветротурбина, която работи самостоятелно, доколкото

хоризонталните компононенти на вятъра са ветроенергозначими, а вертикалните

имат нежелано въздействие върху електропроизводството на ветроагрегатите.

Резултатите от диференцираното измерване имат смисъл само за определено

място, защото са строго специфични и зависят от теренната повърхност и

топографския микро и макропрофил. Тяхното комбинирано използване със

статистическата ветроклиматична информация е най-подходящият подход за

Фиг.1.5


извършване на ветроенергиен одит на място за сравнително непродължително

време.

С комбинираното използване на 3D измерванията и ветростатистиката,

базирана на различни източници, като БАН, авиацията, речния и морския флот и

други ,може да се разработят подробни ветроатласи за редица области, които са

най-подходящи за ветроенергетика. Тези измервания позволяват да се оцени

енергията на въздушния поток, който е енергийно оползотворим от

ветроагрегатите, а не изобщо. Ветроенергийният одит посредством 3D

измерванията, освен че дава тримерната картина на въздушното движение е и

начин за оценка на турбуленцията на въздушния поток. Това е особено важно

доколкото турбулентните загуби може да надхвърлят 20%.

Но за малките инсталации подобни проучвания са твърде скъпи и

продължителни,затова се приема за нормално просто да се направи оглед на

растителността и дърветата наоколо,и да се проучат метеорологичните данни в

района.За предварителните проучвания за изграждането на вятърен парк е нужно

да се снабдим с анемометри с допустима грешка 1%.Цената им ще се компенсира с

избягването на грешни икономически разчети,които са доста важни.С получените

данни се изготвя роза на ветровете(фиг1.6),която може да има 8,12 или 16 оси.За да

се състави графика трябва да се вземат в предвид честотата в проценти и скоростта

на вятъра постъпващ от всяка посока:

фиг.1.6


Честотата изразява времетраенето,през което вятърът духа от всяка една

посока в проценти.Средната скорост се умножава по честотата и се изразява като

процент,за да се покаже във всяка една посока скоростта на вятъра.Розата на

ветровете е уникална за всякоотделно място.Като се съобразим с нея,може да се

определи разположението на ветрогенератора:ако една голяма част от ветърната

енергия идва от една конкретна посока,се приема,че тази посока е свободна от

препятствия.Розата на ветровете може да варира от година на година,поради което

е по добре да разполагаме с данни за различните години,за да получим по-

достоверни средни стойности.

Кинетичната енергия на вятъра е пропорционална на плътността на въздуха,

т.е. масата му за единица обем. Колкото е "по-тежък" въздуха, толкова повече

енергия се получава от турбината. При нормално атмосферно налягане и при

температура от 15 градуса по Целзий, въздухът тежи около 1.225 килограма за

кубичен метър. Плътността намалява бавно с нарастващата влажност, и се

увеличава при ниски температури. Високо над морското равнище (в планините),

атмосферното налягане е по-ниско, въздухът е по-разреден и по-лек, т.е.

плътността на въздуха е по-ниска и като цяло намалява и плътността на ветровата

мощност. Затова метеорологичните данни за скоростта на вятъра дават

информация само за един от факторите, определящи енергийните му качества, като

другият важен фактор е плътността на въздуха. Оценка на двата фактора не може

да стане само по данни за ветроскоростта, колкото и точна и богата да е

ветростатистиката. За оценка на плътността на ветровата мощност, паралелно с

измерването на ветроскоростите, се измерват както температурните разлики на

терена и въздуха над него , така и влажността на въздуха . Те служат за внасяне на

необходимите корекции за вертикалното движение на въздуха, породено от

степента на конвекцията му, както и за корекция на плътността на въздуха, в

зависимост от температурата и влажността.

Плътноста на въздуха може да се изчислява [4] за всяко измерване по

формулата:


(1.11)

където: -нормалното атмосферно налягане, -земното

ускорение, H- надморска височина в метри, - специфична газова

константа, Т- температурата на въздуха по скалата на Келвин.

Oсобеност на метеорологичната ветрова статистика е, че всички данни се

отнасят за ветровото движение в точки с височина 10 метра над терена. Известно е,

че характера на терена и топографският профил на местността (в непосредствена

близост и на разстояния) влияят съществено на динамиката на въздушните

потоци. При стационарен вятър, хоризонталната компонента на скоростта нараства

във височина и зависи както от височината така и от неравностите (релефа) на

земята и тяхната природа (море, ниви, застроeни зони). Измерванията на скоростта

на вятъра се извършват на реперна височина 10 м, което налага екстраполиране на

данните за мощността за височина Hx м, на която се поставят съвременни мощни

ветрогенератори (Hx=50m най-често ).

Има различни модели за определяне на скоростния профил. Степенният

закон за разпределение на скоростта във височина има вида:

(1.12)

където : -скоростта на вятъра на реперна височина ; -степенен показател

характеризиращ грапавостта на терена ( за равен терен (море,блата);

за умерено равен (ниви, пасища); за неравен

(дървета,слабозастроени зони) ).

В крайна сметка плътността на ветровата мощност, изчислявана във W / m2,

e основната енергийна характеристика на вятъра. Тази мощност е резултантна

величина не само от хоризонталната ветроскорост, но се влияе и от другите

характеристики на вятъра и въздуха и се явява универсален енергиен показател за

ветроенергетиката.


Средната скорост на вятъра не трябва да се приема като единствена

величина в изчисленията, а като преобладаващата за даден ветроскоростен

интервал. Принос за ветровата мощност носят и всичики други скорости, които са

различни от преобладаващата, в същия ветроскоростен диапазон. По-високите

скорости от преобладаващата, допринасят много за увеличаването на ветровата

мощност т.е. плътността на ветровата мощност (W / m2) се формира, както от по-

големите от преобладаващите скорости, така и от по-малките.

За плътноста на ветровата мощност на 50 метра е в сила следната

зависимост:

(1.13)

Ветроусловията се оценяват в седем енергийни класа, които във възходящ

ред показват прогресивно увеличение на плътността на ветровата мощност.

Класификация на местата в зависимост от средногодишните скорост и плътност на

мощноста на вятъра на 10 м и на 50 м над земната повърхност според Battelle Wind

Energy Resource Atlas е показана на таблица 1.

Таблица 1

Клас

според плътността

на мощността

на вятъра

10 метра 50 метра

Плътност,

W/m2

Скорост на

вятъра, m/s

Плътност,

W/т2

Скорост

на вятъра,

m/s

1 <100 <4.4 <200 <5.6

2 100-150 4.4-5.1 200-300 5.6-6.4

3 150-200 5.1-5.6 300-400 6.4-7.0

4 200-250 5.6-6.0 400-500 7.0-7.5

5 250-300 6.0-6.4 500-600 7.5-8.0

6 300-400 6.4-7.0 600-800 8.0-8.8

7 >400 >7.0 >800 >8.8

Плътността на ветровата мощност е основната характеристика за оценка на

ветроенергийния потенциал. До скоро се считаше, че технико-икономически


рентабилни са места с клас 3 ( ) при 50 метра височина) или по-голям.

Място с клас 3 съответства на средногодишна скорост на вятъра по-голяма от 6,4

m/s (при 50 м височина). Местата с клас 4 и повече са подходящи за създаване на

големи ветроенергийни ферми (паркове). За създаване на големи, свързани към

електропреносната мрежа, паркове за производство на ел. енергия се изисква

годишна средна скорост на вятъра над 5 m/s. При скорости от 3 до 4 m/s на

височината на оста на турбината е подходящо изграждане на самостоятелни

(автономни) ВЕА.

В последните години се оформя тенденцията да са експлоатират ВЕА

изградени на места съответстващи на втори ветроклас. Причините за това са

няколко:

На първо място при изграждането на ветроенергийните обекти вече са на

лице редица финансови и други стимули и преференции. В САЩ преференциите

най-често се свеждат до данъчни редукции и изгодни кредити. В ЕС това са

начални стимули (субсидии и грантове), субсидирани изкупни цени на

екоенергията, зелени сертификати и други преференции, съгласно механизмите на

протокола от Киота.

Втората причина за използване на места с ветроенергийни условия по-

неблагоприятни от 4-ти ветроклас е, че цените на новите ветроагрегати паднаха

няколко пъти за последните двадесетина години, а именно цените имат най-голяма

тежест за всяка ветроенергийна инвестиция.

Третата причина е в усъвършенстваните технологии при изграждане на

съвременни ВЕА турбини, работещи с регулируеми променливостъпкови лопати,

електрогенериращи системи с регулиране на скоростта на въртене, използване на

нови ефективни електромагнитни материали при генераторите им. Изграждането

на всичко това позволява и на ветроместа от 2-ри клас да се получават ефективни

инвестиционни резултати и с новозакупени турбини.

Ветропреобразуващи устройства са тези с помоща на които енергията на ВП

се преобразува в механична. Преди всичко това са различните видове ВТ- с


хоризонтална ос (пропилерен тип) и вертикална ос („Дариус”, „Савониус”,

„Жиромил” и друг тип ротор), не се използват и други усройства –дифузори,

кофузори .

Мощността на ВТ от пропелерен тип зависи от радиуса (R), аеродинамич-

ният профил на перките и от относителното положение на ометаемата площ (S) във

ветропотока, а много по слабо от броя на перките. Той обаче оказва силно влияние

върху бързоходността (Z) и относителният начален момент В зависимост от

броя на лопатките и аеродинамичните характеристики на лопатките на

пропелерните ветротурбини, последните имат различни обобщени аеродинамични

характеристики (фиг. 1 .7).

В практиката, ВТ от избрания тип са най-често двулопаткови и

трилопаткови (бързоходни), като при тях са постигнати максимални коефициенти

на използване докато при бавноходните

многолопаткови те са съответно

фиг.1.7


Ако трябва да се характеризира ВТ с нейните основни входни и изходни

величини, техният произход и характер, то в общия случай е в сила обобщението,

показано на фиг.1.8[2].

фиг.1.8

В случая се имат предвид (освен въведените вече) следните означения: -

ъгъл на завъртане на лопатките на ВТ; — ъгъл на завъртане на сечението (S) на

ВТ; - моментът предаван от ВТ. Специфични параметри на лопатките са

различните аеродинамични коефициенти ( )

При работа на ВТ със Z = const,(примерно при ) и зададен радиус R,

честотата й на въртене, в съответствие с , ще нараства пропорционално

на нарастването на скоростта на вятъра, с което бързо ще се увеличава и

развиваната от ветротурбината мощност. Фиг.1.5 илюстрира степента на

възможното превишаване на честотата на въртене и мощността на ВТ (в

относителни величини) при работа в условията на . Разтоварването на ВТ при

произволна скорост на вятъра води до увеличаване на скоростта на въртене

приблизително два пъти. Затова при много от ВЕА се използват сложни

механични или хидравлични устройства за регулиране на ъгъла на завъртане на

лопатките на ВТ, а също и различни механични устройства, които ограничават

диапазона на изменение на честотата на въртене на ВТ и понякога обезпечават

нейното постоянство. Чрез регулиране на ъгъла на завъртане на лопатките на

ветротурбината може, в определени граници, оптимално да се използва енергията

на ветровия поток. Налага се извода, че ветротурбината, като обект за управление,


трябва да бъде снабдена с регулатор на скоростта на въртене. Наличието на такъв

регулатор не предпазва обаче ВТ от претоварване по мощност (момент). От

фиг.1.5 се вижда, че при работа на ВТ с постоянна честота на въртене, дори при

проектната такава , с нарастване на скоростта на вятъра

претоварването по мощност е значително. Поради това, в случаите, в които

потребителят на енергия и генератора на ВЕА са способни да реализират мощност

по-голяма от проектната, ВТ трябва да притежава и регулатор на мощност.

Чрез използването на основните характеристики за ВТ могат да се построят

механичните аеродинамични характеристики при

(съгласно (1.4)). При различни скорости на вятъра ( ) се

получава семейство аеродинамични характеристики от вида, показан на фиг.1.9.

Най-пълно използване на механичната енергия на ветропотока от ВТ, т.е.

, се получава при работа с . Това теоретично съответства на

„управлението” на режимите на работа на генератора куплиран към ВД по

характеристика “1” (фиг. 1.9), на генератор, куплиран към ВД. В този случай

генератора се оразмерява най-често спрямо максималната скорост на вятъра ,

като при работа с по-ниски скорости той ще бъде в режим на недоизползване.

Най-добро използване на генератора ще има, когато той работи с постоянен

момент ,за който е оразмерен, независимо от скоростта на вятъра с характеристика

'2'. В този случай трудно се осигуряват желаните стабилни изходни параметри,

използвайки регулировъчните възможности на известните електрически

генератори.

Друга възможност за управление, е работа на генератора с постоянна честота

на въртене -характеристика '3'. На практика често се реализира управление

съответстващо на '4' - целящо достигането на “1” с прилагането на '2' и '3' в

дискретни участъци. В тези случаи трябва да се имат предвид конкретните условия

на работа на ВЕА определени от допустимите претоварвания по скорост и

мощност по отношение на ВТ, генератора и консуматора (ПЕ от фиг. 1.10).


фиг.1.9а

фиг.1.9б

фиг.1.10


Целта на настоящата дипломна работа е да се изследват възможностите за

разработване на специализирано информационно-измервателно устройсто (СИИУ)

за оценка на характеристиките (скорост и посока) на вятъра – работещо в

условията на автономно захранване и с възможност за дистанционно предавне на

данни. Основното му предназначение е за извършване на предварителен

мониторинг, при изграждането на ВЕА и ВЕП, и за централизиран контрол, (в

диспечерски център), на въведени в експлоатация ветроенергийни съоръжения.

Постигането на поставената цел изисква решаването на следните основни задачи:

1. Обзорно проучване на съществуващи аналогични СИИУ.

2. Избор на принцип на работа – относно измервателните (датчици) и

информационните (обработка на данните) процеури .

3. Разработване на идеен проект на СИИУ.

1.3 Устройства и системи за оценка на ветровия потенциал.

Ефективното прeобразуване и използуване на ветровата енергия изисква

професионално проектиране. При определяне целесъобразността на изграждане на

ветроенергийни агрегати (ВЕА), работещи самостоятелно или обединени във

ветрови парк (ВЕП), задължително е да се оценят основните характеристики на

ветровия поток чрез дългосрочни измервания.

Всяка неточност, както при ветроенергийния одит, така и при избора на

подходящи (ВЕА), може да доведе до 200 % надценяване на годишната

електропроизводителност. Тази чувствителност, към точността на

ветроенергийния одит и избора на съответния (ВЕА), се дължи на факта, че

мощността на всяка вятърна турбина респективно на (ВЕА) зависи от скоростта на

вятъра на трета степен (1.2). Затова е много важен предварителният избор на

място за инсталиране на всяка (ВЕА), защото дори и над малък хълм, с височина

спрямо околния терен около 50 метра, скоростта на вятъра на хълма е 2-2,5 пъти


по-висока, отколкото в равнинен терен около него. Т.е. подценяването /

надценяването на годищното електропроизводството на (ВЕА) в разглеждания

случай може да бъде в граници от 8 до 14 пъти.

Посоченото съотношение (1.11), между скоростите на вятъра на равен терен,

в сравнение със скоростта му на възвишение над него, не е универсално, защото

зависи от редица други фактори. Те са толкова много и разнообразни, че чрез

всякакви ветромодели, дори и с помощта на най-прецизните от тях, трудно могат

да се получат напълно правдоподобни резултати.Само специални

ветроизмервания на всяко конкретно място могат да дадат достоверна информация

за ветроусловията (реално измерени данни и вярна ветроенергийна оценка).

В България средната скорост на вятъра е по-ниска от тази в Гърция,

Германия, Дания, Великобритания и други държави с развита ветроенергетика,

въпреки че има много места с ветроусловия, сравними с тези в посочените

държави.

При проектиране на вятърни електроцентрали е нецелесъобразно да се

разчита на ветрови данни от националната метереологична система. Съответните й

измервателни станции са недостатъчен брой, измерванията не обхващат добре

ветровите диапазони и данните най-често са неточни и могат да бъдат

заблуждаващи. Ветроизмерванията за целите на прогнозиране на времето са много

по-различни, от тези необходими за ветроенергетиката, където се анализират

ветроенергийните характеристики на ветровия поток в пряка връзка с избора на

ВЕА. Реално у нас не е имало и още няма необходимия ветроатлас, отговарящ на

изискванията за проектиране и изграждане на ВЕА.

По принцип, в българските географско-теренни условия, е сравнително трудно да

се състави добър ветроатлас, поради разнообразния релеф, влиянието на морето,

речните долини и редица други климатични фактори. Затова сега са

необходими по-детайлни ветрови анализи и релефни данни за всяко конкретно

място, потенциално определено за монтаж на ветротурбини, както и околния

район, обхващащ 10-20 квадратни километри, за да се минимизират рисковете при


инвестиции във вятърните електроцентрали. Не по-малко важно е да се изберат

подходящи турбини за съответните конкретни ветроклиматични условия.

Основен недостатък на всички хоризонтално осеви еднороторни турбини е, че те

имат висока електропроизводителност при сравнително високи скорости на вятъра.

Тяхната мощност спада до десетина пъти при ниски ветрови скорости. В Германия,

която не е сред най-ветровитите страни, се произвежда най-много ветрова

еленергия при средна скорост на вятъра около и под 5 м/с. Следва да се има

предвид, че оптималните ветроскорости, за свързани към преносна мрежа

еднороторни турбини, са най-често между 12 и 16 м/с. Много от тези турбини, при

скорости под 4 метра в секунда, изобщо не се включват. Най-често те се включват

над 4 м/с, а се изключват при максимум 25-30 м/с, за да се предпазят от

разрушаване. По-модерните турбини се включват и при скорости и под 4 м/с, а

вертикално осевите турбини работят и при под 2 м/с, но те във всички ветрови

диапазони имат около два пъти по-нисък коефициент на полезно действие от

хоризонтално осевите.

Увеличаването на мощността на турбините може да се постига чрез

увеличаване на дължината на лопатите им (тя расте с квадрата на диаметъра на

ротора, но пък с увеличаването на периферната скорост се увеличават и

периферните загуби). Увеличените диаметри налагат монтирането на осите на

роторите високо над терена - 50-70 и повече метра, което много утежнява и

съответно оскъпява цялата конструкция, въпреки че във височина скоростта на

вятъра е чувствително по-висока.

За да се разбере детайлно енергийният характер на вятъра и да може в

крайна сметка да се получи пълната обемна картина на движението на въздуха за

точно определено място е необходими дългогодишни статистически измервания

(ветромониторинг) на ветроданните, както за скоростта, така и за посоките на

вятъра. За целта се използват специално конструирани уреди наречени

„АНЕМОМЕТРИ ”. Анемометрите [5] измерват характеристиките на вятъра в

мястото на монтиране на ветротурбините, което има решаващо значение за тяхната

ефективна експлоатация. Чашковите анемометри измерват скоростта на вятъра

http://www.b2b.bg/../../Documents%20and%20Settings/ceo11/My%20Documents/www.windstar%20EXANDAS/WWW%20starton.150m.com/izbor.html


използваики въртенето на панел, съставен от 3 или 4 полусверични или конични

чашки закрепени в края на хоризонтални рамена,поставени на вертикална ос.

Анемометъра на Байрам е разновидност на чашковия анемометър. Анемометърът с

брояч има чашки или лопатки чиито обороти се отчитат от механичен брояч

непосредсвено показващ скоростта на вятъра. Аеродинамичният анемометър

(анемометър на Дайнс)е прибор с помоща на който скоростта на вятъра се

определя по измерения динамичен напор – вятърът духащ в тръба създава налягане

по-високо от статичното, а напускайки я налягането е по-ниско от статичното.

Разликата от наляганията е пропорционална на квадрата на скоростта на вятъра.

Фирма Novalynx [10] произвежда и предлага широка гама от анемометри.

Витловите анeмометри (фиг.1.11) от серията (200-2201 и

200-2206) на фирма Novalynx [10] са проектирани за

работа със силни ветрове, както на сушата така и в

морска среда. Четирите въртящи се чувствителни витла

са направени от противоудърна пластмаса за да

издържат на силата на вятъра. Тялото на сензора е

направено от алуминий и много здрава пластмаса.

Витлата са свързани с четири полюсен АС генератор който индуцира напреженов

сигнал пропорционален на скоростта на вятъра. Генераторът е безчетков, което

гарантира надеждна експлоатация и при ниски температури. Сензорът за скорост

има 350 мм диаметър и работи с обхват от 0 до 90 м/с. Изходният му сигнал е 20 V

AC 84 Hz, започва да измерва при 0.7 м/с.(прага на чувствителност ). Посоката се

измерва с отместването на аеродинамичното тяло, приравнено с хоризонталната

посока на вятъра. Сензорът е свързан директно към устройство индуциращо

изходен сигнал пропорционален на хоризонталния ъгъл на вятъра. Устройството

индуциращо напреженов сигнал има 5 кΩ потенциометър. Датчикът за посока има

обхват на измерване от 0 до 360 градуса при температура в граници от -50° до

+60° C , като датчика за скорост се самозахранва, а датчика за посока има

консумация от 0.1 VA.

Фиг1.11


Чашковите анемометри (фиг.1.12) (200-WS-02) са

предназначени за измерване на посока и скорост

на вятъра, като датчика за измерване на скорост

е направен от 3 чашки. Комбинацията на части от термопластмаса, алуминий и

специална стомана гарантира надеждноста на работа дори и в тежки условия. Тези

сензори са евтини и лесни за монтаж. Сензорът за посока и скорост 200-WS-02 е

комбинация от 2 сензора 200-WS-01 (скоростен датчик) и 200-WS-04 (датчик за

посока). 200-WS-01 има обхват на работа от 0 до 99 м/с, а точноста на измерване е

± 3%. Прагът на чувствителност е 0.8м/с. Анемометърът генерира серия от

пулсации честотата на които е пропорцоинална на скоростта на вятъра. Посоката

се измерва с прецизен потенциометър закрепен на оста на датчика за посока. С

постоянно възбуждащо напрежение по-малко от 15 V , изходът е пропорционален

на ъгъла на завъртане. Датчикът за посока на вятъра има точност на измерване ±

3% и праг на чувствителност 1.2 м/с, а обхвата е от 0° до +360°.

200-7000 WindSonic е ново поколение ултразвуков анемометър на фирма

„NovaLynx” [10] (фиг. 1.13). Той е направен с

изключително здрава конструкция, няма нужда от

калиброване или от скъпа подръжка, като позволява лесно

да се получава желаната информация. Подсигурявайки

точност и надеждност, WindSonic автоматично изпраща

код на състоянието си до всеки изход. Уредът поддържа

NMEA и RS232 интерфейси за връзка с компютър. Прагът на чувствителнст е

много нисък 0.01 м/с, не се изискава подръжка или калиброване. Той може да

Фиг.1.12

Фиг.1.13


измерва посока и скорост на вятъра, а също така и слънчевата радиация. WindSonic

може да е с 1,2 или 4 изхода, обхватът му за скорост е от 0 до 60 м/с при точност ±

4% . Посоката се измерва от 0° до 360° (без мъртва зона) при точнст ± 3% .

Работната температура варира в границите от -35° до +70° C . Препоръчителната

дължина на проводниците при RS232 е 6.5 м , а при RS422/485 е 1 км.

200-81000 Ultrasinic е неподвижен три-измерен

анемометър на фирма

„NovaLynx”[10]фиг.1.14.Дву-измервателните анемометри

срещайки нуждата от икономия пренебрегват важната

вертикална ветрова компонента. Анемометърът прави

фиг.1.14 измерванията си спрямо времето на продължителност на

преминаване на ултразвукови акустични сигнали. От скоростта на звука се

получава и звуковата температура. Скоростта на вятъра и звуковата температура са

коригирани за кръстосани ветрови ефекти. Измерваната информация е достъпна

като изходни напреженови сигнали или като серийни изходи използвайки

RS232/RS485 интерфейси. Цялата информация се записва в енерго независима

памет. Сензорът е изграден от много здрава конструкция включвайки 3

противоположни чифта ултразвукови датчици обезпечени със неръждаема

стомана. Бързата 160 Hz честота осигурява по-добра измервателна резолюция.

Монтира се на стандартна (1 инч) тръба. Уредът работи в температурни граници от

-50° до +50° C. Скоростта на вятъра се измерва в граници от 0 до 40 м/с с

резолюция и праг на чувствителност 0.01 м/с. Посоката на вятъра е в граници от 0°

до 360°, а вертикалната компонента се измерва в граници ± 60°, с разделителна


способност от 0.1°. Скоростта на звука варира от 30 до 360 м/с с резолюция от 0.01

м/с. За звуковата температура обхвата е от от -50° до +50° C. Моделът изисква

захранващо напрежение от 12 до 30 Vdc, 4 W и има 4 напреженови изхода (от 0 до

4000 mV) .

За нуждите на метеорологичните изследвания са разработени различни

системи [1] измерващи не само скоростта и посоката на вятъра, но и барометрично

въздушно налягане, температура,относителна влажност на въздуха и количество

валежи .Пример за такава разработка е безжичната метеорологична станция

WMR928N. Тя функционално е оборудвана с радиочасовник подсигуряващ дата и

ежедневна аларма, осигурява прогноза за времето в радиус от 50 до 100 км,

метеорологична аларма, памет за измерените максимални и минимални стойности,

има просто обслужване чрез чувствителни към допир сензори и интерфейс RS232C

за връзка към персонален компютър. Стандартната версия е обурудвана със

приемник (WMR928N), анемометър(918918N), термохигрометър(THGR918N),уред

за измерване количеството на валежите (PCR918N) и мрежов адаптер 12V

(BTHR918N). Станцията WMR928N позволява радиовръзка между свойте

компоненти на честота 433 MHz, така че няма нужда от кабелни съединения между

тях. Обхвата на предаване е около 10 метра (на открито).

Друга такава безжична професионална метеорологична станция [6] е WS

2305. Тя измерва посока и скорост на вятъра , въздушно налягане, температура,

относителна влажност на въздуха и количество валежи. Приеманите данни

непрекъснато се актуализират с цел показване на актуална метеорологична

информация върху течнокристалния дисплей на базовата

станция.Термохидодатчикът е ключов елемент тъй като захранва другите елементи

с ток и отговаря за трансфера на данни с базовата станция. Термохидодатчикът

подържа безжично предаване на данни чрез радио сигнали на честота 433 MHz на

25 метра (на открито) или по кабел. WS 2305 позволява прехвърлянето на

компютър до 175 пълни записи от метеорологични данни, записани от базовата

станция. Температурния обхват на станцията е от -9.9С до + 59.9С,при

разделителна способност за температурата от 0.1С. Обхвата на относителната


влажност на въздуха е от 20% до 95% , а обхвата на количеството на валежите е от

0 до 999.9 мм (за 1 или 24 часа) или от 0 до 2499мм (общо количество) при

разделителна способност 1мм . Скоросста на вятъра се измерва в граници от 0 до

180 км/час или от 0 до 50 м/с, при разделителна способност 0.1 м/с. Посоката на

вятъра се определя с графична разделителна способност 22.5 . Стойностите за

въздушното налягане са от 300 hPa до 1099 hPa, при разделителна способност от

0.1 hPa . Обработката на данните става посредством специялно разработен софтуер

„Heavy Weather”.Стандартната версия е обурудвана със базова станция, мрежов

адаптер 230 V AC/DC, Термохидродатчик, Анемометър, Датчик за валежите,

Софтуер Heavy Weather .

Подобна разработка е безжична професионална метеорологична станция WS

3600 [7]. Стандартната версия е обурудвана с базова станция, мрежов адаптер 230

V AC/DC, термохидродатчик(предавател на 433 MHz ), анемометър, датчик за

валежите,софтуерен пакет “Heavy Weather pro 3600”. Базовият апарат разполага с

енергонезависима полупроводникова памет (тип EEPROM), в която автоматично

се запаметяват до 1750 пълни записа на метеорологични данни със съответните

дата и час. При запълване на паметта най-старите записи се подменят с

новопостъпилите. Свързването на базовата станция с компютър става чрез кабел и

СОМ-портове чрез софтуерния модул „Web Publisher” актуалните метеорологични

данни могат да се включат в състава на уеб-страници. Термохидродатчикът има

обхват на радиосигнала (433 MHz ) до 100 метра. За станцията температурния

обхват е от -40С до + 59.9С, при разделителна способност за температурата от

0.1С, за относителната влажност обхвата е от 1% до 99% при разделителна

способност 1%. Обхвата на количеството на валежите е от 0 до 999.9 мм (за 1 или

24 часа). измерваната скорост на вятъра е от 0 до 180 км/час или от 0 до 50 м/с,при

разделителна способност 0.1 м/с. Посоката на вятъра се определя с графична

разделителна способност 22.5. Обхватът на въздушното налягане е от 300 hPa до

1099 hPa, при разделителна способност от 0.1 hPa .

Подобна разработка се предлага на българския пазар от фирма „Еко Енерджи

България” [8]. Станциите предлагани от фирмата са Wind 1 и Wind 2 и служат за


статистически измервания на параметрите на въздуха с цел локализиране на

подходящи места за инсталиране на ветрови генератори. Продукта е оборудван с

микропроцесорна система, анемометър за измерване на скоростта на вятъра,

указател на посока, температурен сензор, кутия, акумулатор и захранващо-зарядно

устройство, софтуер за обработка на данни от периферните устройства и за пренос

на данни към PC. Микропроцесорната система управлява периферните

устройства, съхранява получените данни и ги трансферира към компютър за

обработка и анализ посредством RS 232 интерфейс. Получените от периферните

устройства данни се индицират и обработват като на всеки 10 мин се записват в

паметта. Обемът на паметта позволява да се съхраняват данните от измервания за

период от 6 месеца. Анемометърът е чашков изграден от 3 полусфери на 120

градуса една от друга с обхват на измерване от 0.5 до 24.5 м/с. Захранването му е 5

V DC, а подгряването 12 V AC. Сензорът за измерване на посоката на вятъра е

конструиран на базата на един безконечен прецизен потенциометър с линейност

по-добра от 0,25% на фирмата “BURNS”.С електронно регулираното подгряване се

осигурява нормална експлоатация при минусови температури. Указателят на

посоката на вятъра има обхват от 0 до 360 градуса, консумацията му е 5 μА, а

напрежението за подгряване е 12 V AC. Температурният сензор е конструиран на

базата на температурен сензор на фирмата "Dalas", с обхват от -30 до +125 градуса.

Цялата станция има степен на защита IP55.

Друг сериозен пройзводител на анемометри е американската фирма “NRG

Systems” [9] Чашковите анемометри от предлаганите сериите от SW40 до

SW200(фиг.1.15)са специално проектирани и произведени от корозио-устойчиви

материали за използване в по сурови условия.

Сигнала от тези анемометри може да бъде

избиран: аналогов или цифров.Възможна е и

настройка на аналоговото ниво в границите от 0.5

до 3 волта и промяна чрез множител на

импулсите.Това е тяхно предимство,тъй като


могат да се използват като модули за замяна на повредени части от измервателни

системи. Те

фиг.1.15

имат обхват на работа от 0 до 45 м/с, а точноста на измерване е ± 2%. Могат да се

използват за регистриране на по слаби ветрове благодарение на ниския праг на

чувствителност който е 0.38м/с.Температурния диапазон на работа е в границите

от -40 до +75°C.Фирмата производител препоръчва комплектовката на

анемометрите с с датчици за посока от серията 200Е който са от следния

вид(фиг.1.16):

фиг.1.16

Те са изработени от доста лека сплав устойчива на UV

лъчи .Чувствителността е 1 m/s радиус на действие 360°.“NRG Systems” дава 5

години гаранция на своите продукти.

Същия производител предлага на пазара устройство “Symphonie iPack for

GSM (international)(Item 3164)” проектирано да бъде използвано на места където

има GSM покритие, и предава информация до потребителя „безжично”. iPack

устройството за GSM съдържа акумулаторна батерия, автономна соларна

зареждаща система, специален мобилен телефон, антена, модем и интернет

процесор, който позволява на съхраняващото данни устройство „Symphonie NRG

Logger” да се свързва с интернет посредством GSM мрежата ,и да предава

информацията като прикачен файл на електронна поща до всяка желана

електронна поща в интернет. Зареждащата батериите система е проектирана да

използва 5 [W] външен слънчев колектор. Добрата конфигурация запазва

батерията продължително време работоспособна, осигуряваща надеждното


събиране и изпращане на данни. Специална SIM карта, подържаща пренос на

данни, трябва да бъде поставена в GSM iPack устройството преди да бъде

монтирано.”Symphonie NRG Logger” устройството има ниска консумация на

ел.енергия. Процесорът съдържащ се в него управлява системата за събиране на

информация, специално проектирана за нуждите на ветроенергийната индустрия.

Към събиращото информация устройство могат да се свържат 12 сензора

(датчика), поради наличието на 6 броячни входа и 6 аналогови. Устройството си

има фиксирани интервали на сработване от 10 мин., като на всеки кръгъл час

данните се записват на мултимедийна карта (MMC). “NRG Systems”

Индустриален лидер в проектирането и производството на системи за

метеорологични цели е американската фирма NovaLynx [10].Един от предлаганите

на пазара асортименти е „200-0300 Wind Sentry”. Той съдържа анемометър и

сензор за определяне посоката на вятъра. Тези сензори са професионални и

подходящи за широк кръг от измервателни дейности. Сензорите са с просто

устройство и са изградени от специална термопластмаса устойчива на корозия.

Анемометърът има 3 полусферични пластмасови чашки,при завъртането на които

се индуцира синусоидален напреженов сигнал(АС) пропорционален на скоростта

на вятъра. Напреженовият сигнал е индуциран в намотка от дву-полюсен магнит

монтиран на оста на анемометъра. Всяка синусоидална пулсация отговаря на

пълно завъртане. Една пулсация с честота 30 Hz e равна на скорост на вятъра 22.8

м/с. Анемометърът има обхват от 0 до 50 м/с, подържайки порив на вятъра до

60м/с. Сензорът за позицията (посоката) предава информацията чрез 10 кΩ

прецизен потенциометър. Изходният сигнал е аналогово напрежение директно

пропорционално на ъгъла на завъртане. Указателят на посоката на вятъра има

обхват от 0 до 360 градуса. Като гаранция фирмата дава 20 000 000 завътрания.

Пластмасовата плоскост е закрепена на алуминиева ос, на която в

противоположния край се намира потенциометъра. Препоръчителното захранващо

потенциометъра напрежение е от 5 до 15 V DC. Сензорите използват от 12 до 30 V

DC (нерегулирано).


Stylitis-41 [11] е професионална метеорологична станция на фирма

„SIMMETRON” оборудвана със събиращо информация устройство “Data Logger” и

GSM модем или мултимедийна карта (PCMCIA) ,с големина от 256к до 2 МВ, за

съхраняване на данни. Събиращото и съхраняващото устройство има 3 броячни и 4

аналогови входа. В зависимост от сензорите станцията измерва посока и скорост

на вятъра, а също така и енергийните криви на ВЕА. Системата е съвместима за

всички видове анемометри и уреди за измерване на посоката на вятъра. Измерват

се още температура, влажност и налягане на въздуха,а също така има опция да

бъдат измервани и слънчева радиация, ниво на валежите, скорост на водата и др.

Ако се използва само PCMCIA картата за съхраняване, станцията подържа RS-232

интерфеис за връзка с компютър. Информацията се натрупва и компресира в голям

вътрешен буфер 512 KB, а мултимедийната карта, поставена в слота, изисква запис

на информацията. Така дори и при изваждане на картата процеса не се прекъсва и

системата работи устойчиво. Обработката на данните става посредством специален

софтуер предлаган в пакет със станцията. Data Logger устройството работи с +5V

DC захранващо напрежение. Системата стандартно е оборудвана с 2 алкални

батерий от 9 V , подържащи работата на 2 сензора, сработващи на 10 мин., в

продължение на 2 месеца.

Научно-изследователският център на ТУ-Варна е разработил метеосистема

(МС) „Енергия-Природа-Балкан”, тя е предназначена за лабораторни измервания

на параметрите на слънцето,вятъра и околната среда. С МС се измерват

стойностите на пълна слънчева радиация, скорост и посока на вятъра, температура,

относителна влажност и атмосферно налягане. За системата е разработен приложен

софтуер, с помощта на който се регистрират и съхраняват измерените параметри в

персонален компютър, което дава възможност за организиране на измерванията в

база данни.

Микропроцесорната система е разработена на базата на микроконтролер

РIС16F877, производство на фирмата МIСRОСНIР. Системата е с 6 аналогови

входа и един цифров двупосочен порт, с възможност за директно предаване на

данните към персонален компютър.


Системата работи при температура на околната среда от -30С до + 40С при

относителна влажност на въздуха от 20% до 100%. Устройството се захранва от

електрическата мрежа с напрежение 220V (+5%, -10%) и с честота 50Hz ( Hz).

При външни - променливи и постоянни - магнитни полета, с индукция В<0.5mT,

времето за установяване на функционалние възможности е 120 сек.

Скоростта на вятъра се измерва в границите от 0-50 м/с , а измерваната

посока на вятъра е от 0° до 360°. Устройството позволява измерване на слънчева

радиация до 1999 W/m2, атмосферно налягане от 15 до 115 kPa, температура на

околната среда от -55С до + 125С и относителна влажност до 100%

Структурната схема на МС е показана на фиг.1.17

Фиг.1.17


Основни елементи са персонален компютър, приемопредавателно устройство,

микропроцесорна система и датчици за измерване параметри на слънчева и

ветрова енергии.

Типа на връзката между компютъра и приемопредавателното устройство е

RS 232, а между приемопредавателното устройство и микропроцесорната система

RS 485. Датчиците за слънчева радиация и скорост на вятъра са свързани

посредством двужилен екраниран кабел, с цел отстраняване на вредни външни

въздействия. Кабелът използван за свързване на датчика за посока на вятъра е

троен, многожилен 0,5 mm2 , тъй като действието на този датчик се основава на

измерването на електрическо съпротивление. На фиг. 1.18 е показана блок схемата

на МС.

Връзката между персоналния компютър и приемопредавателното устройство

е еднопосочна (към ПК) и е от типа RS232 . По нея става трансфер на данните в

МС към софтуера за обработка на отчетените резултати. Поради типа на връзката,

е необходимо МС да е в близост до персоналния компютър. За захранване е

необходим източник на положително постоянно напрежение 8-12V и ток 500 mА.

Вторият канал за връзка - между приемопредавателното устройство и

микропроцесорната система е от типа RS485 (линия от усукани двойки

проводници). По този канал се предават данни от контролера към

приемопредавателя и се захранва микропроцесорната система. Отделните

функционални блокове, които осъществяват измервателния процес, връзката с

персоналния компютър и схемата за захранване чрез мрежовото напрежение са

Фиг.1.18


обособени в отделни печатни платки, a микропроцесорната система и

приемопредавателното устройство са поместени в общ блок.

За измерване на скоростта на вятъра се използва асинхронен тахогенератор.

Амплитудата на синусоидалния сигнал от тахогенератора се преобразува в

постоянно ниво (константа на интегриране 0.2 сек.). За отчитане посоката на

вятъра се използва датчик, работещ на принципа на пълнооборотен

потенциометър.

МП-02 е микропроцесорно устройство за сбор и обработка на

метеорологични данни разработено от ПНИЛ “АВЕА” при ТУ- Варна. То е

предназначено за метеорологични проучвания на райони където се предвижда

монтаж на ВЕА работещи като локални енергоизточници или паралелно с

електрическата мрежа. Устройството е приложимо в метеорологията , в

транспорта,в селскотостопанство, в строителството,в екологията, водното

стопанство и т.н. Функционалната схема е показана на фиг.1.19:


Фиг.1.19

Устройството е съставено от микропроцесорен прибор (МПП) и датчици за

скорост и посока на вятъра. Микропроцесорният прибор е предназначен да

обработва резултатите от измерванията, да съхранява информацията в подходящ

вид, да индицира текущите параметри- скорост и посока на ветровия поток, както

и събраните до текущия момент данни. МП-02 работи както с постоянен ток 12 V

така и с променлив 220 V 50 Hz. Температурата за експлоатация на датчиците е от

-30С до + 50С, а за МПП е от 5С до + 50С, при относителна влажност на въздуха

от 30%-100% и от 40%-95% съответно за датчиците и за МПП. МП-02 измерва

скоростта на вятъра в границите от 0.5 до 40 м/с, при праг на чувствителност 1м/с,

и посоката от 0° до 360°. Обемът на оперативната памер е в размер на 2 КВ, а на


постоянната 4 КВ. Връзката с комютър става посредством сериен интерфейс RS

232.

ГЛАВА II

ПРОЕКТИРАНЕ НА СПЕЦИАЛИЗИРАНО УСТРОЙСТВО ЗА ОЦЕНКА НА

ВЕТРОВИЯ ПОТЕНЦИАЛ

2.1Избор на схемно решение

За разработване на идеиният проект на СИИУ е необходимо да се разгледа

подобно устройство, което функционално да се използва като базов модел. За

целта се разглежда микропроцесорно устройство МП-02, което е предназначено за

сбор и обработка на метеорологични данни и е разработено от ПНИЛ “АВЕА” при

ТУ- Варна.

Устройството е съставено от микропроцесорен прибор (МПП) и датчици.

Микропроцесорният прибор е реализиран от микропроцесорен блок, блок

индикация, блок захранване, блок клавиатура и интерфейсен блок.

Датчиците за скорост и посока на вятътра, използвани в даденото

устройство, работят на цифров принцип – фоторастерен за скоростта (фиг.2.1) и

кодов за посоката (фиг.2.2). За измерване на скоростта на вятъра датчикът

генерира импулси отчитани за „единица време”, а датчикът за определяне на

посоката е реализиран с код на Грей. Конструктивно електрониката на датчика за

скорост е разположена на три печатни платки. На платка 1 е монтиран светодиод

VD1, на платка 2 е монтиран фототранзистор VT1, на платка 3 е монтиран


усилвателния транзистор VT2, монтирани в алуминиев корпус. Между платките 1

и 2 се върти оптичен диск, въртеливото движение на който се получава от

движението на три полусфери изработени от полиамид и завъртането от ветровия

поток. При пресичането на светлинния инфрачервен поток от ивиците на оптичния

диск,показан на фиг. 2.1, на изходите на фоторастерният датчик се формират

импулси с честота пропорционална на скоростта на въртене на диска.

Датчикът за посока на вятъра се реализира с оптичен диск с код на Грей,

показан на фиг. 2.2, а също така и с четири двойки светодиоди и фототранзистори.

Завъртането на диска става посредством завъртането на аеродинамично тяло

(плоскост) под напора на вятъра, като това довежда до генерирането на код на

изхода на датчика. Този код се разчита и обработва от микропроцесорната система.

Всички логиески елементи, използвани в МП-02 са с положителна логика.

Термините „логическа нула” или „0” използвани по-нататък в текста отговарят на

следните нива на потенциалите: Термините

„логическа единица” или „1” отговарят на следните потенциали :

изключение са само сигналите по интерфейса.

Фиг.2.2 Фиг.2.1


Микропроцесорният блок съдържа микропроцесор тип U800, кварцов генератор с

честота 2 MHz, двуфазен тактов генератор за Ф1 и Ф2, схема за първоначално

нулиране, RAM тип 6116, PROM тип 2732, TTL интегрални дискретни елементи.

Кварцовият генератор (фиг.2.3) е реализиран на базата на елементите : G1,

C7, R5, V1, R4, C1, R3. За получаване коефициент на запълване 0.5 кварцовият

генератор работи с тактова честота 2 MHz. Тя се дели на две от D тригер DD4.

Формирането на тактовите непокриващи се фази Ф1,Ф2 се реализира посредством

RC групите R8, C5, R9, C6 и DD5.

Схемата за първоначално нулиране изработва сигнал, който се обединява с

аналогичен външен сигнал – RESET. Сигналът RESET заедно със схемата за

първоначално нулиране служи за първоначално пускане на програмата.

Схемата за първоначално пускане се състои от интегриращи групи

R6,R7,C3,DD4-2, DD5. При включване на захранването С3 се зарежда. При

достигане на „лог.1” D тригерът DD4 се преобръща при положение, че на входа му

DD4-3 постъпват тактови импулси от тактовия генератор Ф1. DD5 инвертира

сигнала и го подава на входа RESET на U800 с което се реализира първоначалното

пускане на програмата. Към С3 е включен и бутона за външен RESET.

Фиг.2.3


Схемата DD2 дава възможност да се адресират 16 области от 4 Кбайта в

адресното пространсто на U800- това са сигналите от y0 до y15. За целта се

използват адресни шини от А12 до А15 и VMA сигнала от микропороцесора -

както е показано на фиг.2.4.

Оперативната памет се състои от елемента DD3-6116 и е 2К х 8 байта

разположени с адреси $0000-$07ff (Фиг.2.5).

Постоянната памет се състои от DD6-2732 и е 4 Кбайта. Тя заема адресното

пространство от $f000 до $ffff. (Фиг.2.6).

Фиг.2.4


Фиг.2.5 Фиг.2.6

Цифровата индикация се осъществява посредством 8 седем сегментни

индикатори (фиг.2.7), което дава възможност за индициране на времето за всяка

междинна посока и междинна скорост на вятъра при отчитане на данните. За

обслужване на тази цифрова индикация, микропроцесорът трябва програмно да

дешифрира съответната цифра и да определи кои сегменти трябва да се включат.

След закъснение от няколко милисекунди се записват управляващи сигнали за

втория индикатор и т.н.

Фиг.2.7


Блокът клавиатура се състои от 6 бутона, като всеки бутон отговаря на

съответен номер. При натискане на някои от бутоните или група бутони в

микропроцесорната система се формира няговия код. Извършва се тестване на този

код и в зависимост от заложената програма се изпълнява съответното действие.

Бутоните са свързани непосредствено с RDA на DD9. При отпуснати бутони на

входа на РА 0 и РА5 ще има „лог.1”. При натискане на съответния вход на PIA ще

се появи „лог.0” и микропроцесорът определя натиснатия бутон. Чрез логически

елемент DD1 се подава заявка за прекъсване (IRQ), така че клавиатурата да се чете

само когато има натиснат бутон.

Интерфейсният блок е предназначен за връзка с анемометрите, измерва броя

на импулсите от импулсните датчици, генерира заявка за прекъсване IRQ, чрез

модула МПБ.

Измерването на броя на импулсите става посредством програмируем таймер

8253- DD7, който се програмира в режим на броене (Фиг.2.8).

Фиг.2.8

Той съдържа 16 битови брояча, което дава възможност за измерване на

сигналите от 3 анемометъра едновременно.Връзката с датчиците за посока се

осъществяват посредством оптоизолирани входове.


Десетичните броячи от DD1 до DD6, които организират брояч 106 са

показани на фиг 2.9. Изходът 12 на DD6 е свързан с входа на прекъсване СВ1 на

PIA,а на вход 5 на DD1 се подава тактова честота 1MHz.

Блокът захранване осигурява захранващото напрежение необходимо за

нормалната работа на микропроцесорната система и датчиците.фиг.2.10

Фиг.2.10

Блокът се състои от захранващ трансформатор VT1 даващ три различни

променливи напрежения: 9 V, 18 V,18 V; блок изправител и стабилизатори. За

Фиг.2.9


стабилизатори се използват D1, D2, D3. VD1 и VD2 са свързани в монтажно „или”.

Към VD1 е включено акумулаторно захранване. При отпадане на мрежовото

захранване потенциалът на анода на VD2 става по-нисък от този на катода, с което

се разрешава отпушването на VD1 и приборът преминава на захранване от

акумулаторна батерия.

Като блок схема микропроцесорната системата би изглеждала по следния

начин :

Фиг.2.11

Датчиците за скорост и за посока посредством интерфейсният блок са свързани с

главната шина (шина за данни, адресна шина, управляваща шина).

След първоначалното пускането на МП-02 софтуерно се извършва

инциализация на цялата система и след това се стартира фоновата програма.

Фоновата програма обслужва прекъсванията и стартира подпрограмите на

микропроцесорната система.


фиг.2.12

Идейно процесите в микропроцесорната система са показани на фиг. 2.12. При

зареждане на фоновата програма тя започва да обслужва прекъсванията

генерирани от таймер. Например след прекъсване фоновата програма зарежда

подпрограма за измерване на скорост, след това и подпрограма за измерване на

посоката на вятъра и след изпълнението на тези подпрограми фоновата програма

получава нова заявка за прекъсване от клавиатурата и се зарежда и изпълнява

подпрограмата за клавиатурата.

МП-02 е проектирана да съхранява информацията за скоростта на вятъра

като сумарно време, за което скоростта на вятъра е била 1м/с, 2м/с, 3м/с,......, 30м/с,

а посоката на вятъра 0°, 22° 30’, 45°, 67° 30’, ........337°30’ , като за всяка междинна

стойност сумарното време се индуцира в дни, часове, минути.


Фиг.2.13

На фиг.2.13 е показано примерното разпределение на скоростта на вятъра

снемана всяка минута в продължение на 30 мин. На базата на тази примерна

графика софтуерно се изчислява и записва в паметта на устройството

разпределението на скоростта в дни, часове, минути , т.е след по-продължителен

инервал от измрвания може да се изведе таблично точно колко време е била

определена скорост на вятъра .Данните за посоката ня вятъра се отчитат почти

едновременно с тези за скоростта на вятъра и имат аналогична обработка и запис в

паметта.

По този начин събираните данни могат да бъдат обобщени за големи

интервали от време и да бъде направена детайлна оценка на ветровия поток (роза

на ветровете), както е показно на табл.2.1 и фиг.2.14.

Средномесечни скорости на вятъра измерени във Варна (1931г. - 1970г.)

I II III IV V VI VII VII

I

IX X XI XII

скорост m/

s

3.8 3.8 3.9 3.3 3.1 3.1 3.1 3.1 3.5 3.7 4 3.6

ср.кб.отк m/ 1.7 1.8 1.63 1.0 1.0 1.1 1.1 1.0 1.2 1.2 1.3 1.3


л s 2 7 8 7 1 8 9 1 2 9

коеф на

бар.

% 44.

0

48.

0

45.0 36.

0

36.

0

40.

0

41.

0

38.

0

40.

0

36.

0

37.

0

38.

0

макс.скор

.

m/

s

5.5

2

5.6

7

5.53 4.3

8

4.1

7

4.2

1

4.2

1

4.1

8

4.7

9

4.9

1

5.3

2

4.9

9

Мин.

скор.

m/

s

3.3

6

3.3

2

3.45 2.9

4

2.7

4

2.7 2.6

9

2.7

2

3.1 3.3

4

3.6

3

3.2

2

Таблица2.1

диплoмна1

Documents

nrg systems

m2

heavy weather

gsm

wmr928n

433 mhz

novalynx

pcmcia