Расчет идеального и реального ветряка

Кинетическую энергию Э_кин (Дж) воздушного потока со сред­ней скоростью v (м/с), проходящего через поперечное сечение F (м²), перпендикулярное v, и массой воздуха т (кг) рассчитыва­ют по формуле

Э_кин = mv²/2 (4.1)

Величину т определяют по формуле

m = pvF, (4.2)

где р — плотность воздуха, кг/м:³.

При расчетах в качестве р часто принимают ее значение, равное 1,226 кг/м³ соответствующее нормальным климатиче­ским условиям: t = 15 °С, р = 760 мм рт. ст., или 101,3 кПа. Если в (4.1) в качестве т принять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т. е.

N = 0,5 p v³F. (4.3)

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

N_уд=0,5 p v ³. (4.4)

В ветроэнергетике обычно используют рабочий диапазон ско­ростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответст­вует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта.

Ниже приведены значения N_УД для указанного рабочего диапа­зона скоростей ветра:

V, м/с 2 3 4 5 10 14 18 20 23 25

Nуд, Вт/м² 4,9 16,55 39,2 76,6 613 1682 3575 4904 7458 9578

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от v_p^min до v_p^N полезную мощность ВЭУ N_ВЭУ (кВт) для заданной скорости ветра v (м/с) на высоте башни Н_Б (м) и диаметре ротора ВЭУ D₁ (м) рассчитывают по формуле

N_ВЭУ = N_УД F_ВЭУ η_Р η_Г ϛ10^-3, (4.5)

где N_УД (Вт/м²) определяют по (4.4); F_ВЭУ (м²) — отметаемая пло­щадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, вычисляют по фор­муле

F_ВЭУ = πD₁²/4 (4.6)

ϛ — коэффициент мощности, обычно принимают равным 0,45 в практических расчетах, отн. ед.; η_Р — КПД ротора (порядка 0,9), отн. ед.; η_Г— КПД генератора (порядка 0,95), отн. ед.

После подстановки всех указанных значений в (4.5) получа­ем для ориентировочных расчетов:

N_ВЭУ=1,85 D²v³ (4.7)

Для малых ВЭУ v_p^min находится обычно в пределах 2,5...4 м/с, a v_p^N — 8... 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.

Турбины в составе ветровых электростанций (ВЭС) нужно располагать на расстоянии не менее пяти диаметров ротора одна от другой. Если ВЭУ располагают в ряд перпендикулярно направ­лению доминирующих ветров, то расстояние между ними может быть сокращено до четырех диаметров ротора. Системы управле­ния современных ВЭС — микропроцессоры, осуществляющие мониторинг всех функций ВЭУ с возможностью дистанционного контроля.

Разработанные отечественными специалистами конструкции ВЭУ являются абсолютно чистыми источниками энергии. Вра­щение ветротурбины у них значительно медленнее, чем у извест­ных ВЭУ, что является безопасным для обитания и перелетов

Глава 4

ИСПОЛЪЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

птиц, а также не вызывает появления инфразвуковых волн, вред­ных для животных и человека. Основные гарантируемые техни­ко-экономические характеристики объекта:

1) эффективность предлагаемых ВЭУ выше не менее чем на 30% лучших мировых образцов;

2) простота изготовления, позволяющая выполнить ВЭУ на небольших заводах металлоконструкций.

Стадия освоения объекта: наличие конструкторско-техничес-кой документации, изготовление и испытание моделей, строи­тельство опытно-промышленного образца.

Конструкции ВЭУ защищены тремя патентами РФ — №2074980 приоритет от 08.02.94, № 2116501 приоритет от 07.04.97, № 2135823 приоритет от 07.07.98 и двумя свидетельст­вами на полезные модели № 7453 приоритет от 15.09.97, № 8740 приоритет от 24.02.98.

В конструкциях ВЭУ имеются ноу-хау, без знания которых затруднено несанкционированное их применение.

По эффективности работы и оригинальности конструкций предлагаемые ВЭУ не имеют аналогов в мировой практике, так как они разработаны на основе трех патентов РФ на изобретение и двух свидетельств на полезную модель. Предлагаемые конст­рукции ВЭУ просты в исполнении, так как при их разработке учитывались уже существующие технологии изготовления метал­лических конструкций, однако по мощности они не уступают луч­шим мировым образцам, а по эффективности превосходят их.

Изготовление конструкций ВЭУ доступны многим предприя­тиям России, а конструкции аналогичных ВЭУ, разработанных лучшими аэрокосмическими фирмами США (National Aeronautic and Space Administration) NASA недоступны не только нашим предприятиям, но и американским, например, изготовление про­пеллера диаметром 185 м.

Преимущество предлагаемых ВЭУ по сравнению с лучшими мировыми образцами:

1. Работа ВЭУ не зависит от изменения направления ветра. При непостоянстве направления движения воздушного потока ВЭУ ведет себя как живой организм, изменяя положение ветро-направляющих экранов, а для ВЭУ с лопастями типа «Колокол» и изменение положения стабилизирующей плоскости, приспосаб­ливаясь к изменяющейся ветровой ситуации.

2. Наличие ветронаправляющих экранов способствует увели­чению скорости прохождения ветрового потока через ветровую турбину. Кроме того, ветронаправляющие экраны изменяют на-

правление движения ветра, сосредоточивая его на лопа­стях ветротурбины, созда­вая при этом благоприятные условия для ее вращения (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Конструкция отечест­венной ВЭУ с ветронаправля-ющими экранами и лопастями формы «Банан»

3. Модульный принцип конструкций ВЭУ дает воз­можность собирать установ­ку из отдельных блоков, спо­собных самостоятельно ра­ботать. Эта особенность по­зволит без особого труда наращивать мощность уже построенных ВЭУ, дополняя установку новыми модулями.

4. Предлагаемая конструкция ВЭУ может работать при ско­ростях ветра от 3...4 м/с до 20 м/с, а большинство зарубежных ВЭУ начинают работать только при скорости 5...6 м/с.

5. Скорость обтекания конца лопастей менее 330 м/с (мень­ше скорости звука), что не допускает образования ударных волн, не препятствует обитанию и перелету птиц. Предлагаемые ВЭУ могут располагаться в непосредственной близости от жилья, что может существенно уменьшить расходы на передачу электроэнер­гии на большие расстояния.

6. Эффективность работы предлагаемых ВЭУ значительно выше, чем у известных ветродвигателей.

Для подтверждения преимущества, указанного в п. 6, выпол­ним сравнительный расчет по определению мощности разрабо­танного и известного ветродвигателей с одинаковой площадью роторов.

Выполняя расчеты, воспользуемся техническими характери­стиками ВЭУ, полученными при проведении испытаний несколь­ких опытных образцов различной конструкции, которые были выполнены на основе изобретений и по содержанию зарегистри­рованных полезных моделей. Испытания моделей проводились в аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3 научно-исследовательской и проектно-строительной фирмы «Уникон».

Пример расчета 1.

Дано: ВЭУ с четырьмя стационарными лопастями типа «Банан» с шестью ветронаправляющими экранами; радиус ротора R = 0,11 т;

Глава 4

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

площадь миделя ротора А = 0,0598 м². Характеристики, полученные при испытаниях модели: скорость ветра V = 6,7 м/с; обороты ветротурбины п= 131 об/мин; С_ш = 0,284.

Решение.

1. Определяем скоростной напор:

q = pV²/2 = 1,225 • 6,7²/ 2 = 27,495.

2. Определяем крутящий момент:

M_КР = С_mA Rq = 0,284 • 0,0598 - 0,11 • 27,495 = 0,05136 кгм.

3. Определяем угловую скорость вращения ветротурбины:

ω = πn/30 = 3,14 • 131/30 = 13,72.

4. Мощность установки:

Р= Мω = 0,05136 • 13,72 - 0,70466 кг-м/с = 6,908 Вт.

Традиционная установка той же площади при максимальном коэф­фициенте использования энергии ветра х = 0,45. Мощность традиционной установки:

Р = хрА V³0,5 = 0,45 • 1,225 • 0,0598 • 6,7³ • 0,5 = 4,957 Вт.

Отношение мощности разработанной установки к мощности тради­ционной составит

N_РАЗР/N_ТРАД = 6,908/4,957 = 1,393 или на 39,36%.

Пример расчета 2.

Дано: ВЭУ с четырьмя лопастями типа «Колокол», которые снабже­ны подвижной свободно поворачивающейся вокруг вертикальной оси стабилизирующей плоскостью, с шестью ветронаправляющими экрана­ми; радиус ротора R = 0,11m; площадь миделя ротора А = 0,0598 м².

Характеристики, полученные при испытаниях модели: скорость ветра V = 4,8 м/с; обороты ветротурбины п = 170 об/мин; С_т = 0,264 (рис. 4.3).

Решение

1.Определяем скоростной напор:

q = pV²/2 = 1,225 • 4,82/2 = 14,112.

Рис. 4.3. Конструкция ВЭУ с ветронаправляющими экранами и лопастями формы «Колокол»

2.Определяем крутящий момент:

M_KP = C_mARq =

= 0,264 • 0,0598 • 0,11 • 14,112 =

= 0,0245 кгм.

3. Определяем угловую скорость вращения ветротурбины:

ω = πn / 30 = 3,14 • 170/30 = 17,79.

4. Мощность установки:

Р = М ω= 0,0245 • 17,79 = 0,436 кгм/с = 4,274 Вт.

Традиционная установка той же площади при максимальном коэф­фициенте использования энергии ветра х = 0,45. Мощность традиционной установки:

Р = хрА V³0,5 = 0,45 • 1,225 • 0,0598 • 4,8³ • 0,5 = 1,823 Вт.

Отношение мощности разработанной установки к мощности тради­ционной составит

N_РАЗР/N_ТРАД = 4,274/1,823 = 2,345 или на 134,45%.

Повышение мощности ВЭУ и коэффициента использования энергии ветра, полученных в каждом из примеров расчета, про­исходит за счет применения ветронаправляющих экранов и высо­коэффективных лопастей ветротурбины.

Помимо разработки и испытания моделей ВЭУ были прове­дены некоторые работы по расчету и конструированию поддер­живающей конструкции и ротора. Расчеты проводились на ветро­вую нагрузку 0,85 кПа при скорости ветра 69 м/с. В результате проведенных расчетов выявлено, что при мощности ВЭУ от 1 кВт до 50 кВт экономичнее использовать рамную конструкцию, от 50 кВт до 300 кВт сетчато-цилиндрическую, а от 300 кВт и выше следует применять структурно-стержневую конструкцию с внут­ренними стойками.

Конструкция ВЭУ мощностью 25 кВт имеет общую высоту Н = 27,0 м, внешний диаметр D - 12,0 м, диаметр ветротурбины d = 6,0 м, площадь миделя ветротурбины А_Т= 130 м². Поддержи­вающая конструкция состоит из двух модулей — верхнего и ниж­него, каждый из которых сверху заканчивается диафрагмой жест­кости в виде горизонтальных ригелей с подкосами. Рама состоит из шести стоек, на которые навешиваются ветронаправляющие экраны в виде сваренных между собой контактной сваркой двух листов профилированного стального настила марки H114-750-0,8 по ГОСТ 24045-86. Ширина ветронаправляющих экранов прини­мается по формуле b = (D/4) - 0,1 м.

Общий расход стали на ВЭУ мощностью 25 кВт составляет 41 т, из них профилированного настила — 8,12 т.

Конструкция ВЭУ мощностью 50 кВт имеет такую же конст­рукцию с размерами Н - 35,0 м, D= 16,0 м, d - 8,0 м, А_Т = 264,0 м².

 

Глава 4

Ветронаправляющие экраны шириной 3,9 м выполняются из че­тырех слоев профилированного настила марки н75-750-0,8. Об­щий расход стали на ВЭУ мощностью 50 кВт составляют 99 т, из них на проф ластил — 21,9 т.

ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Интенсификация по вовлечению энергии ветра в ТЭБ Рос­сии возобновилась в 1981 г. и финансировалась из госбюджета. В результате этих работ создана экспериментальная база нетра­диционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в Даге­стане, начато и ведется строительство Калмыцкой ВЭС мощнос­тью 22 МВт, продолжается строительство Заполярной ВЭС мощ­ностью 2,5 МВт в условиях вечной мерзлоты (табл. 4.3). Созданы и испытаны сетевые ВЭУ мощностью 200 и 250 кВт, опытный образец ВЭУ мощностью 1000 кВт, начато производство сетевых ВЭУ мощностью 1000 кВт улучшенной конструкции.

Таблица 4.3

 

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕТЕВЫХ ВЭС В РОССИИ
Наименование ВЭС	Установ­ленная мощ­ность, тыс кВт	Годовая выработка электро­энергии, млн кВт-ч	Общие капиталь­ные затраты/на установленный 1 кВт, млн долл.	Себесто­имость электро­энергии цент/(кВтч)	Средне-системный тариф, цешУ(кВт-ч)
Калмыцкая ВЭС	22,0	53,0	39,5/0,0018	4,52	6,5
Морская ВЭС (] очередь)	8,0	17,6	12,5/0,0016	5,5	4,6
Ленинградская ВЭС	3,0	6,0	6,6/0,0022	4,75	5,3
Валаамская ВЭС	5,0	11,4	11,1/0,0022	4,2	4,6
Магаданская ВЭС	50,0	127,0	125,0/0,0025	9,7	4,2
Сахалинская ВЭС	5,0	10,0	10,2/0,0020	8,9	12,8
Радаевская ВЭС	6,0	17,6	12,4/0,0021	4,6	4,3
Камчатская ВДЭС	16,0	64,0	16,9/0,0011	10,1	17,1
Воркутинская ВДЭС	2,4	2,5	2,8/0,0012	4,8	4,63
Таймырская ВДЭС	3,0	15,4	9,3/0,0031	8,6	13,8
Ямальская ВДЭС	3,0	18,6	9,3/0,0031	6,7	13,8

Примечание. ВДЭС — ветродизельная электростанция.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГ ИИ ВЕТРА ___________________ ____^____________ _133

В системе АО «Ростовэнерго» действует ВЭС установленной мощностью 300 кВт, состоящая из десяти ВЭУ фирмы Husume Schiffswerft HSW-30 мощностью по 30 кВт каждая.

На Куликовской ВЭС (Калиниградская обл.) введена в дей­ствие ВЭУ 600 кВт датского производства. Решаются вопросы строительства ВЭС мощностью 5 МВт с участием датских фирм. Энергоснабжение практически всех объектов на указанных территориях традиционно осуществляется с помощью дизельных или газотурбинных электростанций, как правило, с использовани­ем привозного топлива. Отопление и горячее водоснабжение так­же осуществляется либо путем сжигания привозного органичес­кого топлива в централизованных котельных, либо с помощью индивидуального печного отопления с использованием местных лесных ресурсов. Применение гибридных энергосистем в комп­лексе с ВЭУ позволит по меньшей мере вдвое сократить завоз топлива, перейти частично или полностью на электроотопление и электронагрев воды, резко сократить лесосводку, улучшить эко­логическую обстановку за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу и сохранения лесных угодий.

При решении вопроса о целесообразности строительства гиб­ридных электростанций в указанных регионах следует иметь в виду, что стоимость электроэнергии, производимой для изолиро­ванного потребителя, определяется, в основном, стоимостью топ­лива, которая для обеспечения экономической эффективности ветроэнергетики не должна быть меньше 30...35 центов за кило­грамм, а стоимость электроэнергии не выше 10 центов за 1 кВтч.

Эффективное и широкое использование энергии ветра в Рос­сии может быть достигнуто при условии, что стоимость сетевых ВЭУ не будет превышать 500...600 долл. за установленный 1 кВт, суммарные капитальные затраты на строительство ВЭС — 800... 1000 долл. за установленный 1 кВт, количество часов ис­пользования установленной мощности — не менее 2500 ч.

Общая мощность ВЭС, по которым выполнены проектные или предпроектные проработки, превышает 200 МВт.

Широкое развитие ветроэнергетики в России позволило бы использовать экономический потенциал, эквивалентный 13......15 млн т у.т. в год, а также существенно сократить вредные выбросы С0₂ в атмосферу, что весьма важно, в частности, по условиям конвенции со скандинавскими странами об охране окружающей среды.

Системная ветроэнергетика в мире представляет собой направление, с которым прежде всего связывается крупномасш-

Глава 4

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

табное использование энергии ветра, значимое для ТЭБ стран. При этом предполагается использование ВЭУ мощностью более 100 кВт, главным образом, мощностью в несколько мегаватт, яв­ляющейся предельной по современным понятиям.

В настоящее время ВЭУ мощностью 100 кВт и выше постро­ены в США, Канаде, ФРГ, Дании, Швеции, Нидерландах, Вели­кобритании, Франции. ВЭУ мегаваттного класса построены в США, Швеции и ФРГ, создаются в Великобритании и Канаде. Однако, мощные ВЭУ не прошли опытной эксплуатации и еще не ясно, готова ли современная наука и техника к созданию на­дежных и долговечных ВЭУ мощностью в несколько мегаватг с ветроколесами диаметром около 100 м. Параллельно с создани­ем и испытанием опытных ВЭУ выполняется большой объем ра­бот по поиску более рациональных схем мощных ВЭУ, их узлов и систем, разработке ВЭУ новых типов. Активные исследования проводятся по использованию ВЭС в энергосистемах.

Инновационный проект под названием «Ночной ветер» про­двигает группа исследователей из Нидерландов, Дании, Испании и Болгарии. Суть идеи заключается в «замораживании» ночных излишков ветровой энергии в огромных складах-холодильниках с высвобождением ее в дневные часы пик. Непостоянство ветро­вой энергии, вкупе с тем простым фактом, что ночью энергопот­ребление заметно падает, а днем — растет, подтолкнуло европей­ских ученых к неожиданной идее: в качестве колоссальных акку­муляторов энергии, способных накапливать электричество от вет­ряков и в целом — стабилизировать расход энергии в сети, могут выступать гигантские склады-холодильники, расположенные по всему Старому свету.

Ночью, когда потребление электричества падает, а ветряные электростанции продолжают работать, по мнению европейских энергетиков, излишки энергии следует направлять на понижение температуры в обычных складах-холодильниках. Всего на один градус против обычной нормы. Таким образом, энергия запасает­ся в виде холода тысяч и тысяч тонн разнообразных продуктов, спокойно лежащих где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днем же, когда потребление электричества растет, все эти гиган­тские холодильники можно выключить, позволив температуре постепенно подняться на один градус, то есть вернуться к при­вычной норме. И хотя сами по себе холодильники никакого элект­ричества не производят, такое колебание температуры всего на градус с периодом в сутки, если оно будет применено во всех крупных холодильных складах Европы, по расчетам авторов про-

екта, эквивалентно появлению в общей энергосети аккумулятора емкостью в 50 тысяч мегаватт-часов!

Первая прибрежная ветроэлектростанция будет построена в Германии в 2008 г. Федеральное Министерство Защиты Окружа­ющей среды Германии выделяет субсидии в размере 50 млн евро для строительства первой германской прибрежной ветроэлектро-станции.

Компания REpower Systems поставит шесть ветряных турбин мощностью 5 МВт для строительства электростанции в Север­ном море. Строительство станции начнется в 2008 г. Всего будет построено 12 турбин 5 МВт класса.

Для строительства выделен участок моря в 45 км от острова Borkum.

Контрольные вопросы

1. Каковы запасы энергии ветра?

2. Как классифицируют ветроэнергетические установки?

3. Каковы возможности использования ветра как источника возобнов­ляемой энергии?

4. Что подразумевается под ветровым кадастром и каков он для России?

5. Как рассчитать кинетическую энергию воздушного потока?

6. В чем преимущество ветроустановок, разработанных отечествен­ными конструкторами в последние годы XX в.

7. Какие ветроэлектростанции построены в России?

........... ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Таблица 5.1

ОБЪЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГеоТТ В МИРЕ, МВт

Гл а в а 5 ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: