Энергия воздушного потока и мощность ВЭУ

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

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.

Секундная масса воздуха определяется по формуле

где r — плотность воздуха, кг/м³.

Обычно в расчетах в качестве r принимают ее значение, равное 1,226 кг/м³ и соответствующее следующим нормальным климатическим условиям: t = 15 °С, р = 760 мм рт. ст. (101,3 кПа).

Для F= 1 м² получаем значение удельной мощности ветрового потока N_уд, Вт/м² со скоростью v, 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. Значения N_удв зависимости от скорости ветра составляют:

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью 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);

·числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух, трех- и многолопастные;

·отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока—с горизонтальной осью вращения, параллельной вектору скорости (рис. 6.2, а), или с вертикальной осью вращения, 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 1, гондола с редуктором и генератором 2, башня 3 и фундамент 4.

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 ВЭУ чаще всего используются: синхронные и асинхронные (генераторы), реже асинхронизируемые синхронные генераторы.

Рис. 6.2. Виды ветроэнергетических установок:

а — ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б — ВЭУ с вертикальной осью вращения; 1 — рабочее колесо; 2 — гондола с редуктором и генератором; 3 — башня; 4 — фундамент установки

Для каждой ВЭУ можно выделить три характерные рабочие скорости ветра:

· 0<v<v_p^min – мощность ВЭУ равна нулю;

· v_p^min<v<v_p^N – мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

· v>v_p^max – 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 v_p^min до v_p^N полезная мощность ВЭУ N_ВЭУ, кВт, при заданных скоростях ветра v, м/с, на высоте башни Н_б, м, и диаметре ротора ВЭУ D₁ м, рассчитывается по формуле

где N_уд — определяется по формуле (6.4), Вт/м²; F_ВЭУ – ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, м², (определяется по формуле h_Р»0,9 – КПД ротора; h_г » 0,95 – КПД электрогенератора; z — коэффициент мощности, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от мощности воздушного потока (в практических расчетах z = 0,45).

После подстановки всех указанных значений в (6.5) получим следующую формулу для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ v_p^min находится обычно в пределах 2,5...4 м/с a v_p^N — 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 100 дБ. Обычно для энергетических целей используют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной его плотностью р. При этой для повышения мощности единичной ВЭУ с заданным диаметром ротора D₁, м, стремятся увеличить высоту башни Н_б, м, так как скорость ветра увеличивается с высотой.

Чем больше расчетная скорость ветра, тем больше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве расчетной скорости применяется среднегодовая скорость ветра v₀, 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 v_p^min (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает v_p^max (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 больше, чем летом; в полдень больше, 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 практическое использование указанных ресурсов ветра в России незначительно. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 6 м/с, то использование ВЭУ там весьма перспективно.

Для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 6 м/с необходимы детальные технико-экономические расчеты, в том числе и учет условий использования ВЭУ — в объединенной или локальной системе электроснабжения 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 01.01.2002 г. общая установленная мощность в мире составила 24927 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37 %).