Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Посмотреть оригинал

Энергия воздушного потока и мощность ВЭУ

Кинетическая энергия Экин, Дж, воздушного потока со средней скоростью о, м/с, проходящего через поперечное сечение F, м2, перпендикулярное и, и массой воздуха т, кг, рассчитывается по формуле

Величина т определяется по формуле где р - плотность воздуха, кг/м3.

Обычно в расчетах в качестве р принимают ее значение, равное 1,226 кг/м3 и соответствующее следующим нормальным климатическим условиям: t = 15°С,р = 760 мм рт. ст. или 101,3 кПа. Если в (6.2) в качестве т взять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т. е.

Для F = 1 м2 получаем значение удельной мощности ветрового потока /Ууд (Вт/м2) со скоростью о, м/с:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже приведены значения Ууд для указанного рабочего диапазона скоростей ветра:

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам:

  • - по мощности - малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);
  • - по числу лопастей рабочего колеса - одно-, двух-, трех- и многолопастные;
  • - по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока - с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 6.2, а) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 6.2, б).

В настоящее время в мире и в России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 7, гондола 2 с редуктором и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Вилы ветроэнергетических установок

Рис. 6.2. Вилы ветроэнергетических установок: а - ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б - ВЭУ с вертикальной осью вращения; 7 - рабочее колесо; 2 - гондола с двигателем и редуктором;

3 - башня; 4 - фундамент установки

Башня - чаще трубообразная, реже - решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

Для каждой ветроэнергетической установки можно выделить три следующих характерных значения рабочей скорости ветра:

1) omin, при которой 0 < о < umin и мощность ВЭУ равна нулю;

р р

  • 2) о* , при которой скорость ветра и™,п < и < и* и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;
  • 3) при скорости ветра о > о™х мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скорости ветра.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от и™,п до и" полезная мощность ВЭУ Л/вэу, кВт, для заданной скорости ветра и, м/с, на высоте башни #б, м, и диаметре ротора ВЭУ D,, м, рассчитывается по формуле

где Л/уд, Вт/м2, определяется по формуле (6.4); FB3y - ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, м2, определяемая по формуле

FB3у = —L; Т1 ” КПД ротора (порядка 0,9); rir - КПД электрогенератора 4

(порядка 0,95); С, - коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от мощности воздушного потока.

После подстановки всех указанных значений в (6.5) получаем для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ и™" находится обычно в пределах 2,5-4 м/с, а и* _ от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4-5 м/с и 12-15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ равна 60 м/с.

Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно у основания башни не превышает 95-100 дБ. Обычно для энергетических целей используют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной его плотностью р. При этом для повышения мощности единичной ВЭУ с заданным диаметром ротора Dv м, стремятся увеличить высоту башни #0, м, так как скорость ветра увеличивается с высотой.

Чем выше расчетная скорость ветра, тем выше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве нее применяется среднегодовая скорость ветра о0, м/с, которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом).

Для нее характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает om,n (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает о™* (здесь мощность ВЭУ также

равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю, и использование ВЭУ может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов.

Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра выше, чем летом; в полдень выше, чем утром).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза ветров», т. е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких ВЭУ (десятков-сотен) в данной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветроэнергетические ресурсы.

Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80000; 6218 и 31 ТВт-ч. На сегодняшний день использование указанных ресурсов ветра в России практически неощутимо. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 или 6 м/с, то использование ВЭУ здесь весьма перспективно.

Для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 5 (6) м/с необходимы детальные технико-экономические расчеты, в том числе и учет условий использования ВЭУ - в объединенной или локальной сети или для питания автономного потребителя, а также конкретные социально-экологические и экономические характеристики рассматриваемого региона.

Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), которые в настоящее время составляют основы локальных систем электроснабжения обширных северных и приравненных к ним территорий страны. Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от сотен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составляет 30% и более в разных странах. На 01.01.2008 г. общая установленная мощность в мире составила 40.000 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37%).

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы