Тәжірибелік конференциясының ЕҢбектері

42 
 
Уравнение связи: 
2
2
1
)
(
1
)
1
)(
1
(
8
u
u
y
z
z
e
e
e
r
ibC
,  
 
 
(7) 
где 
V
v
e
1
коэффициент  торможения,  создаваемый  ветрогенератором;  r  –  радиус 
внутренней  окружности,  образующих  кольцевую  поверхность  перед  генератором;  i  –  число 
лопастей  ветрогенератора;  b  –  ширина  лопасти  по  хорде; 
ctg
v
V
u
r
z
u
1
1
  –  число 
относительных  модулей; 
y
x
C
C
  –  обратное  качество  крыла  ветрогенератора; 
y
x
C
C ,
–
коэффициенты сопротивления по направлениям.  
Число модулей элементов лопастей на радиусе  r равно: 
 
V
r
z
. 
 
 
 
 
(8) 
Число относительных модулей можно рассчитать по формуле 
 
)
1
(
2
1
1
2
e
z
z
z
i
u
.                                                           
(9) 
Уравнения (7), (8), (9) позволяют сделать полный аэродинамический расчет ветрогенератора 
для  заданных  значений  геометрической  формы  конструкции  и  скорости  ветра,  а  также  формы 
профиля крыла. 
 
 
Литература 
1.
 
Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии . М. М: 1990г. 325с. 
3
 
Баадер  В.,  Доне  Е.,  Бренндерфер  М.  Биогаз:  Теория  и  практика.  (Пер.  с  нем.)  –М.Колос, 
1982.- 148с.  
2.
 
Шеннон Р. Имитационное моделирование систем-искусство и наука-М.1978. 520с.  
3.
 
Боровская  Т.М.,  Северилов  П.В.  Моделирование  и  оптимищзация  систем  производства 
биогаза. Наукові праці ВНТУ, 2009, № 2, с.1-9. 
4.
 
Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. -М.: Наука. –1960.-534с. 
 
 
УДК 620.9.681.5 
 
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ФОТО ДАТЧИК ДЛЯ СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ ЗА 
ДВИЖЕНИЕМ СОЛНЦА 
 
Исмаилов С.У., Болысбеков А.А., Шеримбетова Э.Б., Исмаилова М.С. 
ЮКГУ им. М.Ауэзова, Шымкент, Казахстан 
 
Түйін 
Бұл қатарда біз әзірлеген күн сәулесін бақылау жүйесі интеллектуалды датчигі қарастырылады 
 
Summary 
In this operation the intellectual sensor developed by us for system of tracking the Sun is considered. 
 
Максимальное  использование  солнечной  радиации  на  солнечных  электростанциях  во 
многом зависит не только от площади и степени отражения солнечных лучей на гелиостатах, но 
также  от  их  ориентации.  Точность  наведения  или  ориентации  гелиостатов  непосредственно 

43 
 
связано  с  эффективностью  работы  системы  слежения  и  системы  автоматического  контроля  и 
управления. 
Сегодня  предлагают  множество  различных  электронных  схем  для  слежения  за  движением 
Солнца, но каждая из них обладает определенными недостатками, особенно касается в плане их 
совершенствования,  поэтому  нами  было  принято  решение  разработать  схему  на  основе 
микроконтроллера.  Поскольку  микроконтроллер  позволит  расширить  функции  управления  и 
слежения. 
За  основу  разработки  интеллектуального  датчика  для  системы  слежения  принято 
электронное  устройство,  для  гелиостата  описанное  в  источнике  [1].  Данное  электронное 
устройство  собрано  из  фототранзисторов,  операционных  усилителей  выполняющие  функции 
компаратора,  цифровые логические  элементы  и  силовых  элементов  для  управления  двигателями 
постоянного  тока.  В  качестве  фотодатчика  использованы  четыре  фототранзистора,  которые 
закрыты друг от друга специальной перегородкой и направлены Север-Юг, Восход-Запад. Когда 
фототранзистор  достаточно  освещен,  его  сигнал  поступает  на  вход  компаратора  и  компаратор 
вырабатывает  сигнал  «1»,  если  транзистор  затемнен  или  не  достаточно  освещен,  то  компаратор 
вырабатывает сигнал «0». Сигналы от компараторов поступает на цифровые логические элементы, 
которые  вырабатывают  определенную  логику  работы  системы  слежения  в  соответствии  с 
вырабатываемыми  сигналами  от  четырех  фототранзисторов.  И  зависимости  от  того  какие 
фототранзисторы  достаточно  освещены  и  какие  фототранзисторы  затемнены  или  не  достаточно 
освещены  включаются  и  выключаются  двигатели  опорно-поворотного  устройства  (ОПУ) 
гелиостата, тем самым обеспечивается непрерывное слежение за движением Солнца и ориентация 
гелиостата. 
В этой схеме имеются недостатки: 
1) Процессы слежения и ориентации объединены в одной схеме; 
2) Непрерывное слежение и тем самым постоянное потребление электроэнергией ОПУ; 
3) Ручная установка ориентира гелиостата на утреннее время; 
4)  При  неблагоприятной  погоде  происходит  потеря  ориентации  и  при  этом  система 
слежения постоянно работает; 
5) При потери ориентира гелиостата система слежения восстанавливается длительное время; 
6) Электронная схема не обладает гибкостью в ее развитии; 
7) Логика работы жесткая и не обладает гибкостью; 
8)  Для  добавления,  каких  либо  функции  работы  в  систему  слежения,  электронная  схема 
усложняется. 
Нами  предлагается  совершенно  иная  электронная  схема  системы  слежения.  От 
рассмотренной  выше  схемы  мы  взяли  только  конструкцию  расположения  и  размещения 
фототранзисторов  в  специальном  корпусе,  остальное  в  разработанной  схеме  принципиально 
отличается. Цифровые логические элементы мы заменили на  PIC микроконтроллер и тем самым 
мы  расширили  функциональные  возможности  работы  системы  слежения,  а  также  включили 
функции контроля и управления работой гелиостата и функции информационного обеспечения. 
За  счет  того,  что  микроконтроллер  можно  программировать  появляется  возможность 
постоянно  совершенствовать  автоматическую  систему  слежения  новыми  функциями  работы  и 
повышать  точность  и  качество  слежения  за  движением  Солнца,  ориентацию  гелиостата, 
технические и эксплуатационные параметры работы всей системы. 
Получаемые  данные  в  процессе  работы  автоматической  системы  слежения  можно 
передавать  по  каналу  RS-232  в  ПК,  а  также  контролировать  и  управлять  работой  системы 
слежения и гелиостата с помощью разрабатываемой системы автоматизации. 
По существу все перечисленные функции разрабатываемой системы автоматизации можно 
реализовать с помощью данной электронной схемы. Возможности данной схемы практически не 
ограничены.  Оперативную  и  постоянную  память  микроконтроллера  можно  наращивать  и  тем 
самым можно расширять возможности программы вшитой в микроконтроллер. 
К данной схеме без труда, можно подключать, какие либо дополнительные устройства. 
Разработанная электронная схема обладает следующими преимуществами: 
1) Схема обладает гибкостью для совершенствования; 

44 
 
2)  Есть  возможность  улучшать  и  повышать  работу  микроконтроллера  за  счет  расширения 
памяти,  замены  другим  более  совершенным  микроконтроллером,  добавлять  и  подключать 
дополнительные элементы и устройства к микроконтроллеру и самой схеме; 
3) Практически не ограничены функциональные возможности системы слежения и системы 
контроля и управления работой гелиостата; 
4)  Программно  можно  постоянно  улучшать  технические  параметры  процесса  слежения, 
контроля и управления; 
5)  Есть  возможность  обмениваться  данными  с  другими  системами  и  самой  системой 
автоматизации; 
6) Расширяются возможности информационного обеспечения системы слежения и системы 
автоматизации; 
7) Малая инерционность и запаздывание системы слежения. 
Уменьшение  инерционности  и  запаздывание  системы  достигается  за  счет  использование 
комбинированной  системы  слежения.  Программная  часть  управления  постоянно  на  опережение 
корректирует  координаты  положения  Солнца  и  гелиостата  и  тем  самым  меньше  затрачивается 
времени на поиск Солнца в небесной сфере. 
Качество  и  точность  наведение  гелиостата  на  Солнце  обеспечивается  за  счет 
корректирующих  воздействии  получаемых  в  процессе  программного  вычисления  координат  и 
сравнения их с координатами получаемых от системы слежения с обратной связью. 
В  процессе  разработки  электронной  схемы  системы  слежения  использовались  следующие 
устройства  и  программное  обеспечение:  макетная  плата  EasyPIC6  компании  MikroEelektronika 
(рисунок  1  а);  макетная  плата  для  сборки  и  отладки  электронных  схем,  компании  National 
Instruments,  (рисунок  1  6);  встроенный  программатор  PICflesh;  внутрисхемный  отладчик 
mikroICD;  для  исследования  параметров  электронных  схем  использовалась  программа  Multisim 
11; для разработки программ для микроконтроллера использовали mikroBasic IDE. 
 
   
 
                                                               а                                         б 
 
Рисунок 1 - Внешний вид макетной платы EasyPIC6 и макетной платы для сборки 
электронных устройств 
 
Предварительное  испытание  на  работоспособность  электронной  схемы  системы  слежения 
выполняли  с  помощью  программы  Multisim  11.  И  с  помощью  данной  программы  были 
определены  параметры  электронных  и  электрических  элементов  входящие  в  данную  схему 
(сопротивления, конденсаторы, транзисторы, фототранзисторы). 
Сборку, испытание и отладку электронной схемы системы слежения выполняли на макетной 
плате (рисунок 1 6). Данную макетную плату удобно использовать не только для сборки схемы, но 
и для исследования работы схемы с помощью станции NI ELVIS-II и программного обеспечения 
LabVIEW. 
Подключение  микроконтроллера  к  ПК  осуществляется  по  схеме,  которая  собирается  на 
макетной плате EasyPIC6 (рисунок 2). 
 

45 
 
 
 
Рисунок 2 - Подключение микроконтроллера к ПК через RS-232 интерфейс 
Подключение клавиатуры к макетной плате EasyPIC6 выполняется по схеме (рисунок 3). 
Подключение  к  портам  ввода/вывода  PIC  микроконтроллера  датчиков,  узлов  и  модулей 
электронной  схемы  слежения  и  ориентации  на  макетной  плате  EasyPIC6  выполняется  через 
специальные гнезда и микропереключателей, установленные сбоку на правой стороне платы. 
 
 
 
Рисунок 3 - Подключение клавиатуры к макетной плате 
Таким  образом,  предварительные  испытания  электронной  схемы  системы  слежения 
показала  положительные  результаты.  Схема  работоспособна,  выполняет  функцию  слежения,  но 
необходимо  еще  над  ней  работать  по  улучшения  таких  технических  параметров  как  снижение 
запаздывания,  инерционность,  погрешность  определения  координат  и  погрешность  ориентации 
гелиостата, скорость и время наведения и др. 
 
Литература 
1
 
Байерс Т. 20 конструкций солнечных элементов/ пер. с англ. -М.: Мир, 1988. С.40…60 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

46 
 
УДК 621.548 
 
МЕТОДЫ ОГРАНИЧЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ 
 
Ким Р. 
ЮКГУ им. М. Ауэзова, Шымкент, Казахстан 
 
Түйін
 
Қайта  басталатын  энергетиканың  дамытуының  перспективалы  бағыттарының  бiрi  жел 
энергетика болып табылады. Ғана емес желдiң қолдану энергиялары алып тастаған объекттердiң энергия 
жабдықтауы  кӛп  проблеманың  шешiмiн  табып  және  қорша  үй  және  жергiлiктi  энергия  жеткiзушi 
ұйымдардан тәуелсiздiктi алуға кӛмектеседi 
Summary 
One  promising  area of  renewable  energy  is  wind  energy. Wind  energy  not  only  helps  to  solve  many  of  the 
problems  of  energy  supply  of  remote  objects  and  country  houses  and  gain  independence  from  the  local  power 
company 
 
 Одним  из  перспективных  направлений  развития  возобновляемой  энергетики  является 
ветроэнергетика.  Использование  энергии  ветра  не  только  помогает  решить  многие  проблемы 
энергоснабжения удаленных объектов и загородных домов и получить независимость от местных 
энергоснабжающих организаций. 
 Системы 
ветродвигателей. Ветродвигателями  называют  двигатели,  преобразующие 
энергию  ветра  в  механическую  работу.  По  устройству  ветроколеса  и  положению  его  в  потоке 
ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса: 
    1 . Крыльчатые ветродвигатели  имеют  ветроколесо  с  тем  или  иным  числом  крыльев. 
Плоскость  вращения  ветроколеса  у  крыльчатых  ветродвигателей  перпендикулярна  направлению 
ветра,  следовательно,  ось  вращения  параллельна  ветру  (рис. 1,а). Коэффициент  использования 
энергии ветра этих ветродвигателей достигает S = 0,42. 
    2 . Карусельные  и  роторные ветродвигатели  имеют  ветроколесо  (ротор)  с  лопастями, 
движущимися в направлении ветра; ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение 
(рис. 1,б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%. 
    3 . Барабанные ветродвигатели  имеют  такую  же  схему  ветроколеса,  как  и  роторные,  и 
отличаются  от  них  лишь  горизонтальным  положением  ротора,  т.  е.  ось  вращения  ветроколеса 
горизонтальна  и  расположена  перпендикулярно  потоку  ветра  (рис.  1,в).  Коэффициент 
использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%. 
 
     
    
    
 
                   Рис 1,а                                      Рис 1,б                                    Рис 1,в 
        
  Основным ресурсом, исходя из названия, является ветер, скорость которого мы привыкли 
измерять в метрах за секунду (м/с), но более подходящая в данном случае единица измерения это 
–  узел.  Чтобы  перевести  скорость,  выраженную  в  узлах,  в  другие  единицы  измерения  скорости, 
следует помнить, что один узел – это одна морская миля в час, или 1,852 км/ч, или 0,514 м/с. 
Кроме  того,  сила  ветра  может  измеряться  в  баллах.  Каждый  балл  –  это  определенный 
диапазон  скорости  ветра.  Всего  этих  баллов  12.  Они  сведены  в  так  называемую  шкалу  Бофорта 
(табл.1) 
 
 

47 
 
Табл.1 
Балл 
Скорость в м/с 
Характеристика 
Видимое действие 
0 
0,0 - 0,2 
Штиль 
Дым поднимается 
вертикально, листья на 
деревьях неподвижны 
 
1 
0,3 - 1,5 
Тихий ветер 
Дым слегка 
отклоняется, лѐгкое 
движение воздуха 
2 
1,6 - 3,3 
Лѐгкий ветер 
Ветер чувствуется 
лицом, листья 
шелестят 
3 
3,4 - 5,4 
Слабый ветер 
Колышутся листья и 
тонкие ветки 
4 
5,5 - 7.9 
Умеренный 
Вершины деревьев 
гнутся, шевеляться 
небольшие сучья, 
поднимается пыль 
5 
8,0 - 10,7 
Свежий ветер 
Колеблются сучья и 
тонкие стволы 
деревьев 
6 
10,8 - 13,8 
Сильный ветер 
Качаются сучья, гудят 
телефонные провода 
7 
13,9 - 17,1 
Крепкий ветер 
Раскачиваются 
стволы, гнутся 
большие сучья, идти 
против ветра тяжело 
8 
17,2 - 20,7 
Очень крепкий 
Раскачиваются 
большие деревья, 
ломаются небольшие 
сучья, очень тяжело 
ходить 
9 
20,8 - 24,4 
Шторм 
Небольшие 
повреждения зданий, 
ломаются толстые 
сучья 
10 
24,5 - 28,4 
Сильный шторм 
Деревья ломаются или 
вырываются с корнем, 
большие повреждения 
зданий 
11 
28,5 - 32,6 
Жестокий шторм 
Большие разрушения 
12 
32,7 - 36,9 
Ураган 
Опустошительные 
разрушения 
13-17 
37,0 и более... 
... 
... 
 
   Шкала Бофорта – это классическая шкала ветров, общепринятая в метеорологии и 
морском деле, но не единственная. 
    Еще  одна  особенность  ветроэнергетики:  энергия,  вырабатываемая  ветрогенератором  в 
единицу  времени  (т.е.  мощность),  прямо  пропорциональна  кубу  скорости ветра.  Это  значит,  что 
она увеличится в восемь раз при увеличении скорости ветра всего в два раза. Ветер представляет 
собой  движущийся  воздушный  поток,  обладающий  кинетической  энергией,  а,  значит,  его 
мощность прямо пропорционально массе воздуха и квадрату его скорости:  
2
2
mV
N
, 

48 
 
где 
V
m
, мощность ветрогенератора зависит не только от скорости ветра, но и площади 
его  
контакта с рабочей частью устройства, называемой «ометаемой» площадью: 
2
3
SV
N
. 
В  настоящее  время  существует  множество  различных  концептуальных  конструкций 
ветрогенераторов , которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два 
основных вида: 
  - с вертикальной осью вращения (так называемые Н-образные турбины); 
  - с горизонтальной осью вращения. 
Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования 
энергии  ветра  подъемную  силу  или  силу  сопротивления.  Устройства,  использующие  подъемную 
силу,  предпочтительнее,  поскольку  они  могут  развить  в  несколько  раз  большую  силу,  чем 
устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут 
перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые 
действует  подъемная  сила  (ветроколеса),  могут  быть  более  быстроходными  (быстроходность  -
отношение  окружной  скорости  элемента  поверхности  к  скорости  ветра)  и  иметь  лучшее 
соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности. 
Вертикально-осевые  турбины  работают  при  низких  скоростях  ветра  и  любых  его 
направлениях  без  ориентации  на  ветер,  но  имеют  малый  КПД.  В  отличие  от  турбин  с 
горизонтальной  осью  вращения,  Н-образные  турбины  «захватывают»  ветер  при  изменении  его 
направления без изменения положения самого ротора. На практике применяются редко. 
Как  и  у  любой  другой  перспективно-развивающейся  отрасли,  ветроэнергетика  имеет  ряд 
технических задач, которые нуждаются в решении. Таких как: 
  - непостоянная и нереулируемая выработка электриской энергии на базе ветрогенераторов; 
  -  необходимые  технические  средства  регулирования  частоты  и  мощности  для 
ветрогенераторов; 
  - необходимость аккумулирующих систем;  
  - небольшой коэффициент использования установленной мощности; 
  - шумовое и электромагнитное воздействие на природу и человека; 
  - возможное влияние на популяцию птиц в регионе установки ветрогенераторов. 
В  данной  статье  более  подробно  отражаются    методы  ограничения  момента 
ветрогенераторов (способы регулирования скорости ветроколеса). 
Существует  много  систем  регулирования  ветродвигателей,  из  них  наибольшее 
распространение получили две системы: 
  -  выводом  ветрогенератора  из-под  ветра  под  действием  его  давления  на  ветроколесо  и 
специальную поверхность, закрепленную сбоку позади ометаемой поверхности; 
  - поворотом лопасти ветрогенератора около оси махов под действием центробежных сил. 
Колеса  быстроходных  ветродвигателей  снабжены  механизмами  для  автоматического 
регулирования оборотов при больших ураганах. Для этого концы крыльев делаются поворотными. 
Поворот  осуществляется  при  помощи  особых  поверхностей  -  стабилизаторов,  которые 
помещаются на легких стойках за поворотными концами крыльев и управляются центробежными 
механизмами,  помещенными  внутри  них.  Колеса  быстроходных  ветродвигателей  снабжены 
механизмами  для  автоматического  регулирования  оборотов  при  больших  ураганах.  Для  этого 
концы  крыльев  делаются  поворотными.  Поворот  осуществляется  при  помощи  особых 
поверхностей - стабилизаторов, которые помещаются на легких стойках за поворотными концами 
крыльев  и  управляются  центробежными  механизмами,  помещенными  внутри  них.  Повернутые 
концевые  части  крыльев  притормаживают  вращение  ветрового  колеса  до  установленных 
оборотов.  При  уменьшении  скорости  ветра  вся  система  возвращается  в  исходное  положение 
растянутыми пружинами регулирования. 
 Эта  оригинальная  центробежная  аэродинамическая  система  регулирования  обеспечивает 
высокую равномерность вращения быстроходным ветровым колесам с отклонением всего на 3-5% 
от  расчетных  оборотов  даже  при  сильном  и  порывистом  шквале.  Поэтому  быстроходные 

49 
 
ветродвигатели  со  стабилизаторным  регулированием  могут  работать  непосредственно  с 
электрическими генераторами. 
 На  колеса  быстроходных  ветродвигателей  могут  устанавливаться  хвосты  или  виндрозные 
механизмы,  которые  представляют  собой  два  многолопастных  ветровых  колеса,  общий  вал 
которых поставлен под прямым углом к оси главного вала ветродвигателя и соединен передачей с 
зубчатым венцом вершины башни. 
 Когда  ветер  дует  в  лоб  рабочему  ветровому  колесу,  виндрозы  помещаются  ребром  и 
поэтому  не  вращаются.  Однако  стоит  ветру  немного  изменить  свое  направление,  как  виндрозы 
придут  в  движение  и  повернут  ветровое  колесо  против  нового  направления  ветра,  а  сами  снова 
встанут  ребром  к  воздушному  потоку  и  остановятся  до  нового  изменения  ветром  своего 
направления.  
         При  помощи  виндроз  головка  с  ветровым  колесом  плавно  и  равномерно  следует  за 
дуновением,  что  крайне  необходимо  при  поворотах  больших  и  быстро  вращающихся  ветровых 
колес быстроходных ветродвигателей. 
 Комплексный  способ  регулирования  рассмотренный  ниже  является  актуальным  при 
проектировании современных ВЭУ. 
Пуск  ветродвигателя  облегчается  использованием  стартового  угла  установки  лопастей. 
После  запуска  механизм  антифлюгерного  центробежного  регулятора  выводит  лопасть  в  зону 
расчетного рабочего угла. При этом разгон происходит в режиме холостого хода генератора. 
На  этапе  разгона  генератор  начинает  вырабатывать  ток,  достаточный  для  питания 
устройства  управления,  которое  осуществляет  контроль  и  управление  работой  ветроустановки, 
поддерживая  номинальное  значение  его  скорости  вращения  методом  динамической  балластной 
нагрузки.  Таким  образом,  совмещаются  два  способа  регулирования  (стабилизации)  скорости 
вращения: механический и электронный. 
В  случае,  когда  скорость  ветра  вырастает  до  недопустимого  значения  (буревой  ветер), 
механизм центробежного регулятора выводит (поворачивает) лопасть на критический угол атаки, 
обеспечивающий  аэродинамическое  торможение  ветродвигателя  с  автоматическим  разворотом 
лопастей во флюгерное положение и его последующей фиксацией соответствующим механизмом. 
Это  обеспечивает  защиту  ветроустановки  от  разрушения  при  буревом  ветре.  Возврат 
ветроустановки  в  исходное  положение  осуществляется  вручную,  путем  перевода  в  верхнее 
положение  рычага  управления  «пуск/стоп»,  установленного  в  нижней  части  мачты.  В  качестве 
балластной  нагрузки  целесообразно  использовать  специально  изготовленные  водно/воздушные 
нагревательные  приборы.  При  этом  балластная  нагрузка  будет  частично  или  полностью 
подключаться/отключаться 
автоматическим 
устройством 
управления, 
обеспечивая 
приоритетность  подключения  полезной  нагрузки  (бытовых  приборов)  таким  образом,  чтобы 
суммарная нагрузка соответствовала максимальному значению выходной мощности генератора в 
каждый текущий момент времени. 
Неотъемлемым  условием  надежной  повседневной  работы  автономных  ветрогенераторов 
является предотвращение перегрузок ветродвигателя, которые неизбежно возникают при работе в 
непрерывно меняющемся естественном ветровом потоке. 
 

жүктеу/скачать 9,36 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: