Повторяемость скоростей ветра

 

Повторяемость скоростей ветра является одной из важнейших кадастровых характеристик. Она показывает, какую часть времени в течении рассматриваемого периода дули ветры с той или иной скоростью. С помощью этой характеристики выявляется энергетическая ценность ветра и находятся основные энергетические показатели, определяющие эффективность и целесообразность использования энергии ветра.

В Приложении 2 приведена повторяемость скоростей ветра по градациям на высоте 10 м в процентах на различных участках Архангельской области.

В Приложениях 3 и 4 приведены значения повторяемости скоростей ветра в зависимости от среднегодовой скорости в процентах и днях.

 

Распределение рабочих периодов и периодов простоя ВЭУ по длительности

При анализе возможностей использования энергии ветра наряду с рассмотренными выше данными о средних скоростях ветра и закономерностях повторяемости скоростей большое значение имеют данные возможной длительности периодов работы ВЭУ и периодов простоя (энергетических затиший).

Под рабочим периодом Т_р понимается период времени, в течение которого скорость ветра больше минимальной рабочей скорости V_мин.р ≈ 3м/с, но меньше максимальной рабочей скорости V_макс.р, определяемой из условия обеспечения безопасности работы ВЭУ. Под периодом простоя Т_пр. понимается время, в течение которого скорость ветра меньше V_мин.р или больше V_макс.р.

(4.9)

 

где n₁ – общее число рабочих периодов за год;

n₂ и n₃ – число периодов простоя соответственно при скорости ветра меньше V_мин.р и больше V_макс.р; Т – число часов в году – 8760.

Графически (рис. 4.2) представляет собой площадь под кривой

повторяемости ветра, ограниченную ординатами V_мин.р и V_макс.р. Сумма отсечённой площади есть время простоя ВЭУ.

 

Рис. 4.2. Кривая повторяемости средней скорости ветра по Мезенской метеостанции № 45 на высоте 10 м за 10 лет (пример)

 

Удельные мощность и энергия ветрового потока

 

Удельная мощность ветрового потока на единицу площади ометаемой

поверхности (1 м²) определится из формулы:

(4.10.)

 

где V₀ – скорость воздушного потока, м/с;

ρ – плотность воздушного потока, 1,25 кг/м³.

Среднегодовая удельная энергия ветрового потока W_уд.п (энергия, протекающая за 1 год через 1 м2 поперечного сечения ометаемой площади) зависит от повторяемости скоростей ветра, т.е. какую долю годового времени t_i ветер дул со скоростью V_i:

(4.11)

 

где k – число градаций ветра;

Т – число часов в году, 8760 ч.

 

 

Зная среднегодовую скорость ветра, его вертикальный профиль и повторяемость скорости ветра, можно дать энергетическую характеристику ветрового потока в любом районе.

Среднегодовая удельная мощность ветрового поток

(4.12)

 

Мощность ветроустановки:

(4.13)

 

где – η – коэффициент полезного действия, 0,85;

ξ – коэффициент ветроиспользования, 0,45;

А₀ – ометаемая площадь, πd²/4, м².

На рис.4.3 в качестве примера показано, как формируется годовая сумма удельной энергии ветра (площадь под кривой W_уд) при среднегодовой скорости ветра 5,95 м/с. Из – за кубической зависимости мощности от скорости ветра наибольший вклад дают не наиболее часто наблюдаемые и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,7 – 1,9 раза.

В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка за год, а ту мощность, которую она может обеспечить постоянно.

Основными производителями ветроустановок за рубежом являются компании «Vestas» (Дания), «Enercon», “Simens” (Германия), «GE» (США), в РФ изготовляют ветроустановки НПО «Ветроэн», МКБ «Радуга» и др. При подборе ветроустановок желательно устанавливать не одну мощную ветроустановку, а несколько ветроустановок меньшей мощности. В Приложении № 5 приведены технические характеристики зарубежных и отечественных ветроустановок.

 

 

Рис. 4. 3. Повторяемость скоростей ветра и распределение годовой удельной энергии W_уд на высоте 30 м (пример): v₁ – наиболее часто наблюдаемая скорость, v₂ – средняя скорость ветра, v₃ – скорость, обеспечивающая наибольший вклад в годовую выработку энергии

Ветроэнергетические ресурсы

При оценке энергетических ресурсов рассматривают валовой, технический и экономический ресурсы.

Валовой (теоретический) потенциал ветровой энергии района – это средне многолетняя суммарная ветровая энергия движения воздушных масс над данной территорией в течение одного года, которая доступна для использования.

Полное использование энергии ветра на высоте h осуществляется ветроэнергетической системой, в которой ряды ветроэнергетических установок, ориентированных перпендикулярно направлению ветра, отстоят друг от друга на расстоянии (10…20)h, так что полная ветровая энергия, захватываемая установками на площади территории S, м², в год, представляет валовой потенциал территории W_в, кВт∙ч/год, который при удельной энергии ветра W_уд, кВт∙ч/(м² ∙год), равен:

 

(4.14)

Где S=10⁶м²;

Под техническими ветроэнергоресурсами понимается та часть валовых ресурсов, которая может быть использована с помощью имеющихся в настоящее время технических средств. Существующий уровень развития техники позволяет использовать энергию ветра с помощью отдельно стоящих ВЭУ. Это ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью ветроколеса.

Для оценки эффективности работы ВЭУ построим зависимость распределения удельной мощности ветра (рис. 4.4). Площадь под кривой 1 представляет собой годовую удельную энергию ветра, приходящуюся на 1 м² поперечного сечения ометаемой площади ветроколесом. В соответствии с критерием Бетца и теорией Н.Е. Жуковского в полезную работу может быть преобразована только часть ветровой энергии, проходящей через сечение ветроколеса, которая оценивается коэффициентом ε = 0,593. Практически, у лучших образцов ВЭУ коэффициент ε достигает значений 0,45 – 0,48.

 

Рис. 4. 4. Теоретическое распределение удельной мощности ветра (1), удельной мощности на валу ветроколеса (2) и фактическое распределение удельной мощности ВЭУ (3,4)

 

При скоростях ветра ниже минимальной рабочей скорости V_мин.р мощности ветроколеса не хватает на преодоление сил трения в узлах ВЭУ. В диапазоне скоростей от V_мин.р до расчётной скорости ветра V_р, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность N_н, использование энергии ветра осуществляется наиболее полно.

При дальнейшем усилении ветра вплоть до максимальной рабочей скорости V_макс.р, мощность ВЭУ поддерживается на постоянном уровне благодаря работе регулирующих устройств. Доля полезно используемой ветровой энергии при этом снижается. При скоростях выше V_макс.р его энергия не используется.

Мощность единичной ВЭУ в кВт определяется выражением:

(4.15)

 

где D – диаметр ветроколеса, м;

V_р – расчётная скорость ветра, м/с;

η_ρ и η_г – КПД редуктора и генератора.

 

Для суммарной установленной мощности на 1 км² земной поверхности используется формула:

(4.16)

 

где D – диаметр ветроколеса, м.

С учётом (4.15) будем иметь:

(4.17)

 

Суммарная установленная мощность ВЭУ, размещённых на единице площади, не зависит от диаметра колеса, а определяется расчётной скоростью ветра V_р и техническим совершенством ВЭУ.

 

Равномерность обеспечения потребителей энергией

 

Потребители электрической энергии должны получать электроэнергию равномерно в соответствии с потребностью в ней. При наличии периодов ветровых затиший, т.е. при скорости ветра меньше V_мин.р электроэнергия должна поступать от другого источника. Это может быть обеспечено двумя путями: аккумулированием энергии, включением дополнительного источника энергии или коммутацией с электросетью. По своему устройству и принципу действия аккумуляторы могут быть: механические, гидравлические, химические, тепловые, пневматические и комбинированные. При необходимости аккумулирования электроэнергии, выработка её не ограничивается расчётной скоростью, а ограничивается максимальной скоростью, т.е. 20 – 25 м/с. Вырабатываемая электроэнергия сверх потребности идёт на аккумулирование.

В настоящей расчётно – графической работе предлагается использовать для небольших и средних мощностей электролитические аккумуляторы с большой удельной электроёмкостью при выработке до 10 МВт – час. Для больших мощностей, свыше 10 МВт – ч применить тип аккумулирующего устройства тепловой или гидравлический. Дополнительным источником энергии на период ветровых затиший может служить дизель – генераторная установка (ДГУ). Ветродизельные системы (ВДС) получили в мире достаточно большое распространение и служат для электроснабжения в отдалённых районах. Цель объединения ВЭУ и ДГУ – экономия дизельного топлива. В условиях нестабильного характера ветра и нагрузки существуют различные проблемы, зависящие от количества объединяемых ВЭУ и ДГУ, их единичной и суммарной мощностей, типа нагрузки.

В расчётно – графической работе необходимо предусмотреть возможность аккумулирования энергии или дублирования от другого источника энергии.

 

БИОЭНЕРГИЯ

Возможный энергетический выход установки на биогаз определяется:

E =η∙H_б∙V_б, (5.1)

 

где η - КПД горелочного устройства = 0,6;

Н_б - удельная объёмная теплота сгорания биогаза = 20 МДж/м³ при парциальном давлении 101000 Па;

V_б - объём получаемого биогаза.

 

Объём биогаза определяется из выражения:

 

V_б = с∙m₀ ,м³/сутки, (5.2)

где с – выход биогаза из сухой массы (от 0,2 до 0,4 м³);

m₀ - масса сухого сбраживаемого материала, получаемого со всего стада (например, 2 кг/сутки на одну корову, умноженное на количество коров);

Объём жидкой массы, заполняющей биогазогенератор:

 

V_ж = m₀/ρ_м, (5.3)

 

где ρ_м - плотность сухого материала, распределённого в массе ρ_м = 50 кг/м³).

 

Объём биогазогенератора V_г:

 

V_г=V_ж∙t_г, (5.4)

 

где V_ж - скорость подачи сбраживаемой массы в генератор;

t_г - время пребывания очередной порции в генераторе (от 8 до 20суток) Соотношение 5.1 для чистого метана, входящего в биогаз, имеет вид:

 

Е = η∙H_б∙ V_б∙f_м, (5.5)

 

где Н_б - удельная теплота сгорания метана при нормальных
условиях - 28 МДж/м³;

f_м - доля метана в биогазе (около 0,7).

 

АККУМУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛА

 

Требуемое количество тепла Q, запасённого в аккумуляторе:

 

Q = П∙n∙τ∙Z, МДж, (6.1)

∙где П - расход тепла в сутки, кВт;

n – количество суток;

τ - продолжительность расхода тепла в сутки, час;

Z - переводной коэффициент 3.6 мДж/кВт∙ч.

 

Требуемое количество воды:

 

V = Q/(r∙c∙∆T), м³, (6.2)

 

где r - плотность воды, кг/м³;

с - теплоёмкость воды, 4200 Дж/кг К;

∆Т - разность температур начальной и конечной аккумулятора, К.

 

Глубина h ёмкости аккумулятора, м:

 

h = V/A, м, (6.3)

где V – объём,м³;

А – площадь,м².

Термическое сопротивление R между аккумулятором и окружающей средой:

 

R = (τ сек.)/(1,3∙Vм³∙r ∙c), K/Bт, (6.4)

 

Удельное термическое сопротивление:

 

r = R∙A, м² K/Bт, (6.5)

 

Толщина покрытия d на верхней крышке ёмкости:

 

d= r∙λ, м, (6.6)

где λ - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, (пенополистирол, λ = 0,04 Вт/(м ∙ К)

Плотность энергии q, запасённой в аккумуляторе:

q = Q/V, МДж/м³, (6.7)

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: