Удельные мощность и энергия ветрового потока.

Мощность ветрового потока Р, протекающего со скоростью u₀ через поперечное сечение А₀ определяется выражением:

Р = ρ*А₀*u_o³/2, (8.29.)

где ρ – плотность воздуха, кг/м³ ;

Удельная мощность ветра, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения, равна:

Р_уд = (1/2)*ρ*u_o³ (8.30.)

Среднегодовая удельная энергия ветра W_уд (энергия, протекающая за год через 1м² поперечного сечения) зависит от повторяемости скоростей ветра, т.е. от того, какую долю годового времени t_i дул ветер с той или иной скоростью u_i и определяется выражением:

W_уд= ∑_i=1^kР_уд*t_i = (1/2)*ρ*N∑_i=1^kt_i*u_i, (8.31.)

где N = 8760 число часов в году;

k– число градаций скорости ветра;

t_i – доля месячного времени.

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

Р_ср = W_уд /N (8.32)

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. КПД электрогенератора – 95%. При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать следующие их особенности:

Для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в от же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения;

Эффективнее и дешевле управлять частотой вращения электрогенератора, изменяя его электрическую нагрузку;

Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, удорожающие ветроустановку и её обслуживание;

В конструкции ВЭУ предусматривается возможность отключения электрогенератора от ветроколеса и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ:

- наиболее благоприятные ветровые условия существуют в малонаселённых районах, на островах и в море.

- систему электроснабжения необходимо строить так, чтобы она могла обеспечивать потребителей дешёвой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (для отопления) и дорогой, но со стабильными параметрами (электродвигатели).

- ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или быть запараллелеными другими электроэнергетическими установками.

Различают три класса ВЭУ:

Класс А: мощность ветроэлектрогенератора является определяющей. К этому классу относятся отдельно стоящие одногенераторные ВЭУ. Их мощность не превышает 5 кВт.

Класс В: Мощность ветроэлектрогенератора одного порядка с мощностью других генераторов системы. Это характерно для небольших энергосистем в отдалённых районах. Чаще всего «другим генератором» является дизельный электрогенератор. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ветрогенератором при слабом ветре.

Класс С: ветроэлектрогенератор подключён к энергосистеме, значительно более мощной, чем его собственная мощность. При этом ВЭУ используется непосредственно, а её излишки подаются в энергосистему. Используются следующие приёмы, позволяющие изменять частоту вырабатываемой генератором электроэнергии:

- увеличение числа полюсов генератора при падении частоты вращения ветроколеса;

- выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его снова в переменный с заданными параметрами;

- за счёт включения активной нагрузки в обмотку генератора.

8.9. Производство механической работы

1. Морские суда. Паруса с автоматическим управлением.

2. Мельницы.

3. Водяные насосы.

4. Производство тепла. Преобразование в тепло вырабатываемой электроэнергии.

Гидроэнергетика.

Гидроэнергетика – это область энергетики, использующей энергию падающей воды. Установленная мощность всех гидростанций в мире 670 ГВт.

Установленная мощность ГЭС России составляет 44 ГВт. В современной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Гидроэлектростанции классифицируются по мощности на мелкие (до 0,2МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20МВт) и крупные (свыше 20МВт). Второй критерий, по которому разделяются гидроэлектростанции,- напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10м), среднего напора (до 100м) и высоконапорные (свыше 100м). Затраты на строительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить за источник энергии – воду. Турбина – энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное. Преимущества ГЭС очевидны – постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Постоянный рост цен на органическое топливо приводит к значительному росту цен на электрическую энергию, доля которой в себестоимости производимой продукции более 20%. Поэтому в сельском хозяйстве назрела необходимость в строительстве малых ГЭС там, где для этого есть возможность.

На основании анализа современных требований, может быть рекомендовано оборудование, создание которого базируется на следующих основных принципах:

Уменьшить количество типоразмеров оборудования для организации их серийного изготовления.

Агрегаты МГЭС комплектуются серийными асинхронными генераторами и, в случае необходимости, мультипликаторами. Могут быть использованы также синхронные генераторы.

Направляющий аппарат гидротурбин выполнен с фиксированными лопатками.

Рабочие колёса осевых гидротурбин выполнены пропеллерными с возможностью установки лопастей при монтаже в заданное положение и их последующим жёстким закреплением во втулке.

Система автоматического управления (САУ) выполнена электронно – электрической.

САУ исключает присутствие обслуживающего персонала на ГЭС при эксплуатации.

В производстве освоены гидроагрегаты восьми типоразмеров, в т.ч.:

- микрогидроэлектростанции мощностью до 90кВт с пропеллерными рабочими колёсами на напоры 1,5 – 10м;

- микрогидроэлектростанции мощностью до 100кВт с диагональным рабочим колесом на напоры 10 – 55м;

- гидроагрегаты мощностью до 500 и 1500кВт с пропеллерными рабочими колёсами на напоры 3,5 – 9м и 10 – 25м;

- гидроагрегаты мощностью 1500кВт с радиально-оевыми рабочими колёсами на напоры свыше 30м.

Сравнительный расчёт эффективности использования дизельной станции (ДС) и микроГЭС.

Вариант 1. Использование МикроГЭС – 10.

Срок службы микроГЭС не менее 10 лет, т.е. Т = 3650 суток. Вырабатываемая мощность N = 10кВт. Суточная выработка электроэнергии при пользовании электроэнергией в течение 16 часов в сутки и мощности N равна: Э_c = N*t = 10*16*3650 = 584000кВт-ч. При стоимости микроГЭС – 10 7000 долларов США, стоимость 1 кВт-часа вырабатываемой электроэнергии будет равна: Ст = 7000/584000 = 0,012 долл/кВт-ч (1,2 цента за кВт-ч).

Вариант 2. Использование МикроГЭС – 50.

Срок службы микроГЭС не менее 10 лет, т.е. Т = 3650 суток. Вырабатываемая мощность N = 50 кВт. Суточная выработка электроэнергии при пользовании электроэнергией в течении 16 часов в сутки и мощности N равна: Э_c = N*t = 50*16*3650 = 2920000кВт-ч.

При стоимости микроГЭС – 50 35000 долларов США, стоимость 1 кВт-ч вырабатываемой электроэнергии будет равна:

Ст = 35000/2920000 = 0,012 долл/кВт-ч (1,2 цента за кВт-ч)

Вариант 3. Использование ДС.

Для выработки 1кВт-ч электроэнергии в ДС используется 300 г. дизельного топлива (0,0003 т/кВт-ч). При цене дизтоплива 800 долларов США за тонну стоимость 1 кВт-ч вырабатываемой электроэнергии будет равна:

С_дт = 800*0,0003 = 0,24 долл/кВт-ч (24 цента за кВт-ч).

Вывод: стоимость электроэнергии при использовании микроГЭС в 20 раз меньше, чем при использовании ДС. Дополнительным преимуществом микроГЭС являются экологическая чистота и работа в автоматическом режиме, без обслуживающего персонала.

В Китае мощность малых ГЭС составляет около 30000МВт.

Норвегия производит 90% электроэнергии на ГЭС.