К.т.н Бойко С.М., Дозоренко О.В.
Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського
Обґрунтування можливості використання
вітроенергетичного комплексу для заряду тягових акумуляторних батарей в умовах підземних виробок
залізорудних шахт
Вступ. Сьогодні неможливо уявити собі наше життя без
електроенергії: жоден процес, жодне виробництво, жодна людина не може обійтися
без використання електрики. Відомо, що зараз основним виробником електричної
енергії є теплові електростанції та гідроелектростанції. Перші для своєї роботи
використовують енергію від спалення корисних копалин, другі використовують
кінетичну енергію води.
Основною проблемою таких традиційних джерел електроенергії є, в першому
випадку, обмеженість ресурсів планети, у другому – великий негативний
екологічний ефект. Тому постає питання про використання невичерпних ресурсів
Землі. Вітрові енергетичні установки (ВЕУ) вже давно використовуються людством
у різних галузях виробництва та для потреб окремих споживачів [1-2].
У даній роботі пропонується використання вітроенергетичного комплексу в
умовах підземних виробок залізорудних шахт для заряду тягових акумуляторних
батарей. Це дозволить значно зекономити кошти, що витрачаються на сплату за
електроенергію, а також використати енергію, яка досі залишалася незадіяною.
Мета роботи. Дослідження способу
заряду тягових акумуляторних батарей за допомогою вітроенергетичного комплексу
в умовах підземних виробок залізорудних шахт.
Матеріал і результати досліджень. Зважаючи на те, що швидкість висхідного потоку
вентиляції в підземних виробках шахт – 5…15 м/с цілодобово з постійним
напрямом, то такої швидкості потоку повітря достатньо для генерації певного
обсягу електричної енергії вітроустановкою.
Оскільки потужність, яку
виробляє вітрова установка залежить не лише від швидкості вітру, але і від
площі, яку описують лопаті вітрового колеса. Цю площу у ВЕУ з вертикальною
віссю обертання можна змінювати не лише через діаметр, але і через висоту
лопаті. Це дозволяє досягти необхідної розрахункової потужності вітрового
колеса при проектуванні[3-4].
ВЕУ розміщуватиметься на
ділянці, що являє собою спряження двох квершлагів (рис. 1).
Рисунок 1 – Місце розташування ВЕУ: 1 –
квершлаги; 2 – лопаті ВК; 3 – генератор; 4 – акумуляторна батарея
Розрізняють дві основні
технологічні схеми проведення квершлагів: потокову і циклічну. При потокової
технології одночасно витягують гірську масу з забою виробітки виконують інші
виробничі процеси (наприклад, комбайнова проходка виробки з одночасним
зведенням постійного кріплення). Циклічна технологія характеризується
переривчастим (різночасним) виконанням основних видів робіт. Основні види
кріплень для квершлагів - металеві арочні з шахтного профілю, монолітні бетонні
та залізобетонні, збірні залізобетонні. У міцних стійких породах застосовують
набризг-бетонні, анкерні кріплення або їх поєднання. Максимально досягнуті
темпи проведення квершлагів 400…500 м/місяць[5-6].
Вітроустановка
може розташовуватися на ділянці, що знаходиться на розгалудженні двох
квершлагів.
Спряження квершлагів – місце,
де два квершлаги поєднуються в один.
Дане місце в залізорудних
шахтах має свої особливості:
- швидкість руху
вентиляційного потоку 8…15 м/с;
- достатньо простору.
Швидкість
вентиляційних потоків у цьому місці за
правилами безпеки вентиляції шахт становить від 5 до 15 м/с.
На рисунку 2
зображена спрощена функціональна схема роботи розроблюваної вітрової установки.
Вона має у своєму складі:
-
вітрове колесо з вертикальною віссю обертання;
-
асинхронний генератор;
-
блок керованих комутаторів;
-
шахтну освітлювальну мережу;
-
зарядний пристрій;
-
акумуляторну батарею;
Рисунок 2 – Спрощена функціональна схема роботи розроблюваної
вітроустановки
Принцип
роботи даної системи полягає в тому, що Лопаті вітрового колеса приймають
кінетичну енергію вентиляційних висхідних потоків шахти. Після цього оберти
передаються на генератор, який перетворює отриману механічну енергію в
електричну. Електроенергія з генератора прямує до блоку зарядного пристрою,
який в свою чергу заряджає тягову акумуляторну батарею акумуляторну батарею. Також
згенерована потужність може передаватися в шахтну освітлювальну мережу.
Перевагами
використання такої схеми є: простота будови, розповсюджені електротехнологічні
пристрої та відносно невелика вартість.
На рисунку 3 зображена структурна схема вітроенергетичного комплексу на
якій зображено: ВК – вітрове колесо; АГ – асинхронний генератор; БК – блок
конденсаторів; БЗК – блок збуджуючих конденсаторів; КК – керований комутатор;
СУ – система управління; БД – блок датчиків; ШОМ – шахтна освітлювальна
мережа; КЗАБ – контролер заряду акумуляторної батареї; АКБ – акумуляторна
батарея; ЕГ – електромагнітне гальмо; ВБНС – вимірювальний блок навколишнього
середовища.
Рисунок 3 – Структурна
схема вітроенергетичного комплексу
Схема
працює наступним чином. Після запуску системи управління (СУ) мікропроцесорний
блок розблоковує електромагнітне гальмо (ЕГ). Вітроколесо (ВК) починає
обертатися під тиском повітряних мас і установка переходить в автоматичний
режим. Під дією обертання вітроколесо приводить у рух асинхронний генератор
(АГ), до якого під’єднана батарея збуджуючих конденсаторів (БЗК). Асинхронний
генератор генерує перемінний електричний струм на шахтну освітлювальну мережу (ШОМ) та зарядний пристрій (ЗП). Зарядний пристрій
заряджає тягові акумуляторні батареї (АКБ). Інформація з блоку датчиків (БД),
що показує вихідні параметри асинхронного генератора, вимірювального блоку
навколишнього середовища (ВБНС) та контролеру заряду акумуляторної батареї
(КЗАБ) подається в систему управління. За необхідності система управління подає
сигнал на комутування керованих комутаторів КК1, КК2, КК3.
Визначаємо середню витрату
потужності за повний час заряду за формулою:
Тоді кількість батарей, які одночасно може заряджати
зарядний пристрій:
шт.
Але зважаючи на те що в першій годині заряду Р1=1333Вт, то
шт.
Виходячи з розрахунків розроблений алгоритм способу заряду
тягових акумуляторних батарей в діючих підземних виробках залізорудних шахт
(рис. 4).
Рисунок 4 – Алгоритм
заряду тягових акумуляторних батарей
Згідно алгоритму, якщо вироблена генератором потужність
рівна потужності заряду батарей, то зарядний пристрій заряджає три акумуляторні
батареї Якщо ж вироблена потужність
більша за потужність заряду батарей, то підключається ще одна акумуляторна
батарея. І навпаки, якщо вироблена потужність менша за потужність заряду то
відбувається відключення одної батареї, а залишки електроенергії віддаються в
шахтну освітлювальну мережу.
Користуючись таким способом заряду тягових акумуляторних
батарей одночасно можна заряджати не одну, а декілька батарей. Перевагою даного
способу є те, що електровозу не обов’язково заїжджати до зарядної станції, а є
можливість змінювати тягові акумуляторні батареї в процесі технологічного
циклу. Також при аварії в мережі вітроенергетичний комплекс може повністю
віддавати генеровану потужність для аварійного освітлення шахтної
освітлювальної мережі.
Висновки. Аналіз можливостей використання вітроенергетичного
комплексу в умовах підземних виробок залізорудних шахт для перетворення
кінетичної енергії висхідних потоків повітря в електричну підтвердив можливості
застосування вітроенергетичного комплексу для заряду тягових акумуляторних
батарей .
Розроблено
алгоритм способу заряду тягових акумуляторних батарей та проаналізовано
економічний аспект застосування вітроенергетичного комплексу.
Література:
1.
Шефтер Я. И., Рождественский
И. В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. – М.; Издательство
министерства народного хозяйства. – 1957. – с. 14 – 21, с. 18 – 19.
2.
Шефтер Я. И. Использование энергии ветра. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
Безркуких П. П. Об экономической эффективности нетрадиционной ветроэнергетики.
//Энергетическое строительство, 1992, №1. – с. 9 – 12.
3.
Васильев Ю. С., Хрисанов Н. И. Екология использования возбновляемых
энерегоисточников. – Л.: Вид. ЛГУ, 1991.
4.
Азарян А.А., Вілкул Ю.Г. Комплекс ресурсо – і енергозберігаючих
геотехнологій видобутку та переробки мінеральної сировини, технічних засобів,
їх моніторингу із системою управління і оптимізації гірничорудних виробництв. –
Кривий Ріг: Мінерал, 2006. – 219 с.
5.
Мокін Борис Іванович. До питання вибору вітрових двигунів і електричних
генераторів вітрових електричних станцій / Б.І.Мокін, О.Б.Мокін, О.А.Жуков //
Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2007. – №6. – С.52–62.
6.
Ушаков К.З. / Бурчаков А.С. / Пучков Л.А. / Медведев И.И. Аэрология горных предприятий. – М.: Недра, 1987.