¹Сінчук О.М. д.т.н., проф., ¹Толмачов С.Т. д.т.н., проф.,

²Бойко С.М., аспір, ²Чорна В.О., асист.

¹ДВНЗ «Криворізький національний університет»

²Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

Особливості експлуатації ВіТРОеНЕРГЕТиЧної автономної Установки в ПІДЗЕМНИХ ГІРничИХ ВИРОБках ЗАЛІЗОРУДНИХ ШАХТ

Проаналізована можливість і специфіка роботи вітроенергетичного комплексу в умовах діючих гірничих підземних виробок залізорудних шахт. Для реалізації оптимально можливої ефективності функціонування вітроенергетичної установки обґрунтована та пропонується для практичної реалізації її конструкція. Розроблена структура електромеханічної частини вітроенергетичного комплексу і система управління ним з прогнозованим потенціалом надійності і якості електропостачання споживачів. Доведено економічну ефективність застосування вітроенергетичної установки в умовах підземних виробок залізорудних шахт.

Ключові слова: вітроенергетична установка, енергетичний комплекс, поновлювані джерела енергії, залізорудні шахти.

Актуальність теми. У зв'язку із стійкою тенденцією щорічного збільшення споживання електричної енергії (ЕЕ), зростанням цін на її виробництво, а також впливом екологічних обмежень, що постійно зростають, все більш актуальним стає завдання збільшення об'ємів отримання ЕЕ шляхом використання поновлюваних джерел. Важливо, що очікуваний ефект від впровадження можливо досягти лише при масовому використанні та впровадженні ВЕУ в тому числі в промисловості та побуті. Цікавим в цьому спрямуванні можуть бути підземні гірничі виробки шахт, де згідно технології ведення робіт постійно присутній штучно створюваний потік повітря з його сталими параметрами.

Мета досліджень – розробка теоретичних аспектів та практичних рішень по використанню повітряного вентиляційного потоку підземних гірничих виробок залізорудних шахт для отримання електричної енергії, шляхом створення автономного вітроенергетичного комплексу з автоматичною системою управління.

Матеріали досліджень. Для досягнення вищевикладеної мети була оцінена, проаналізована можливість і специфіка роботи вітроенергетичних комплексів (ВЕК) в умовах діючих підземних виробок залізорудних шахт (ЗРШ). Запропонована для подальших уточнень і досліджень первинна структура конструкції комплексу з вертикальною віссю обертання перетворення енергії вітру [1, 3].

Процеси аеродинаміки вітроагрегату описуються усередненими по Рейнольдсу рівняннями Навьє-Стокса нестискуваного середовища.

Як початкові умови задавалися параметри незбуреного потоку у всій розрахунковій області. На зовнішній межі застосовувалися граничні умови, для розрахунку яких використовувався метод характеристик. На поверхні твердого тіла враховувалась умова прилипання.

Рівняння руху в’язкого газу запишеться у вигляді рівняння Навьє-Стокса у векторній формі (1) [1, 2]:

(1)

при умові, що і , де – кінематична в’язкість (коефіцієнт внутрішнього тертя), – друга в’язкість, – оператор Лапласа, – напруженість поля масових сил, ρ – густина, p – тиск.

Виходячи з результатів досліджень є підстави вважати, що потужність ВЕУ в умовах шахт залежить від її аеродинамічних умов [1].

В результаті була розроблена структура електромеханічної частини ВЕК [2, 3], основу якої складає асинхронний генератор з короткозамкненим ротором, за допомогою регулювання частоти і вихідної напруги якого стабілізується рівень електроспоживання підключених до нього споживачів. Велике значення для забезпечення безперебійності електропостачання споживачів при аварійних режимах роботи і при видачі генератором ВЕК не номінального рівня напруги і частоти має акумуляторна батарея (АКБ).

При розрахунку економічної ефективності і доцільності застосування ВЕК в умовах ЗРШ необхідно враховувати особливості експлуатації, специфіку їх монтажу та віддаленість від споживачів ЕЕ.

Оскільки в результаті суттєвої відмінності при використанні ВЕК в умовах ЗРШ в порівнянні із експлуатацією в звичайних природних умовах, то розрахунки за класичними методами розрахунку економічної ефективності та доцільності використання ВЕК будуть деякі неточності. Тому при розрахунку за класичними методами розрахунку економічної ефективності та доцільності використання ВЕК необхідно вдавитися до додаткових коефіцієнтів, що мають відображати специфіку експлуатації ВЕК в умовах ЗРШ, чи змінювати числові значення існуючих коефіцієнтів [4, 5].

До складу експлуатаційних витрат на експлуатацію ВЕК можна віднести: витрати на проведення поточних ремонтів обладнання, що експлуатується в умовах ЗРШ, які зменшаться, оскільки є інженерно-технічний персонал, що обслуговує ділянки електричної мережі, до яких буде під’єднано ВЕК, відрахування на відновлення елементів установки (амортизаційні відрахування), інші прямі витрати. При використанні ВЕК відпрацьованих технологічних відходів промислового підприємства (вентиляція, пара і т.д.), при безперервності технологічного процесу, обсяг виробленої ЕЕ збільшиться в порівнянні з експлуатацією ВЕК в природних умовах, за той самий час роботи.

При використанні ВЕК потужністю 4 кВт в умовах промислових підприємств з врахування експлуатації мережі електроживлення під’єднання:

ЕВ=А+Р+Пр+Ам+Рм, (2)

де А – амортизаційні відрахування на експлуатацію ВЕК, Р – ремонти, технічне обслуговування ВЕК, Пр – інші прямі витрати, Ам – амортизаційні відрахування на експлуатацію мережі електроживлення, Рм – ремонти, технічне обслуговування мережі електроживлення (3) [5]:

КВ=Цзаг+Цдост+Цмон+ЗП (3)

де Цзаг – вартість обладнання ВЕК, Цдост – вартість доставки ВЕК, Цмон – вартість монтажу ВЕК, ЗП – заробітна плата обслуговуючого персоналу

ЗП=Фр·Т (4)

де Фр – фонд робочого часу, Т – тарифна ставка.

Собівартість згенерованої електроенергії визначається з формули (5):

, (5)

де ЕВ – експлуатаційні витрати, Q – обсяг виробленої ЕЕ.

При використанні ВЕК в умовах ландшафту з врахування експлуатації мережі електроживлення під’єднання потужністю 4 кВт при тих самих відрахуваннях (6):

ЕВ=А+Р+Пр+Ам+Рм+ЗП, (6)

де ЗП – заробітна плата працівників.

КВ=Цзаг+Цдост+Цмон+ЗП+Цм+Цдост.м+Цмон.м (7)

де Цм – вартість мережі електроживлення, Цдост.м – вартість доставки мережі електроживлення, Цмон.м – вартість монтажу мережі електроживлення. Враховуючи тривалість часу роботи ВЕК Троб≠8760 год, та кількості згенерованої енергії Q≤max.

Таблиця 1. Порівняльна характеристика економічної складової експлуатації вітроенергетичних комплексів

Показники	Використання ВЕК потужністю 4 кВт в умовах ЗРШ	Використання ВЕК потужністю 4 кВт в умовах ландшафту
А	10% КВ	10% КВ
Р	7% КВ	7% КВ
Пр	1% КВ	1% КВ
Ам	6% КВ	6% КВ
Рм	3% КВ	3% КВ
КВ	40000 грн	40000 грн
ЕВ	10800 грн	10800 грн+ ЗП
Св	0,31 грн	>> 1 грн

Таким чином можна зробити висновок про те, що економічно вигідно використовувати ВЕК в підземних виробках діючих ЗРШ, з метою генерування електричної енергії, навіть в порівнянні з експлуатацією ВЕК тих же параметрів в умовах ландшафту.

Висновки. 1. В результаті використання технологічних вентиляційних повітряних потоків підземних виробок залізорудних шахт, з перетворенням вітрової енергії в електричну є реальна можливість генерувати і використовувати електричну енергію для власних потреб підземних підприємств, заощадивши при цьому засоби на її закупівлю.

2. Розроблений спосіб управління вихідною напругою асинхронного генератора з короткозамкненим ротором в складі вітрового електротехнічного комплексу дозволяє плавно регулювати значення вихідного параметра, при цьому система буде відчувати найменші зміни швидкості вентиляційних потоків або величини навантаження.

3. Доведена економічна ефективність застосування вітроенергетичних комплексів в умовах підземних виробок залізорудних шахт.

Література

1. Сінчук О.М., Бойко С.М., Щербак М.А. Про залежність енергетичних координат вітроенергетичної установки з вертикальною віссю обертання від аеродинамічних умов шахт// Технічна Електродинаміка. Тематичний випуск «Силова електроніка та енергоефективність». Частина 4. – Харків, Інститут електродинаміки НАН України, 2012. – С.171-172.

2. Сенько В.І., Бойко С.М., Щербак М.А., Жуков А.О. Математична модель системи керування електротехнічним комплексом вітроенергетичної установки на базі fuzzy контролера// Електротехнічні і енергозберігаючі системи. Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика» науково-виробничого журналу – Кременчук, КрНУ, 2013. – Вип.. 3/2013 – С.117–129.

3. Яворский Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф // – «Наука» М. – 1971. – С. 134 – 269.

4. Праховник А.В., Соловей А.И., Прокопенко В.В. и др. Энергетический менеджмент / А.В. Праховник – К.: ІЕЕ НТУУ “КПИ”, 2001. – 470 с.

5. J. Marques, H. Pinheiro, H. Grundling, J. Pinheiro, and H. Hey, “A survey on variable-speed wind turbine system,” Proceedings of Brazilian conference of electronics of power, vol. 1, pp. 732 – 738, 2003.