Ветроэнергетика. Мощность ветроэнергетических установок.

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии, как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Известно, что при скорости ветра u, м/с, и плотности воздуха р, кг/м3, ветроколесо, ометающее площадь F, м² развивает мощность Р, Вт, пределяемую P = ξFρu³/2. Здесь ξ – коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и принимаемый равным 0,35.

Из формулы видно, что мощность Р пропорциональна ометаемой площади F и кубу скорости. Коэффициент мощности зазависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра. Так как скорость ветра непостоянна, а мощность очень сильно зависит от скорости, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии. Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна плотности воздуха и кубу средней скорости. Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м² ометаемой площади мощность — порядка 300 Вт при значении ξ от 0,3 до 0,45. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 22 – 30% его максимального проектного значения. Срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15 – 20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долл. США за 1 кВт проектной мощности.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок - обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5 – 10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с очень большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 10⁷ циклов за 20 лет эксплуатации).

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих, или синоптических, закономерностей многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7 10²¹ Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается, при этом рассеиваемая мощность — порядка 1,2 10¹⁵ Вт, что равно примерно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.

Для анализа ветроэнергетического потенциала местности составляется ветроэнергетический кадастр, который представляет собой районированную систему численных характеристик режима ветра. Вэтроэнергетический кадастр – это совокупность объективно достоверных и необходимых количественных сведений, характеризующих ветер как источник энергии. В кадастре все характеристики обычно представлены в табличной или графической форме, используя материалы многолетних наблюдений.

Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована в энергетике, вряд ли возможно, так как эта оценка очень сильно зависит от уровня развития ветроэнергетики и ее потребителей. Тем не менее, официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например, в Великобритании и Западной Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20%. При определенных изменениях инфраструктуры доля ветроэнергетики может быть существенно большей. Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдаленных районах и на островах. Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.

Цель работы Изучение методики определения ветроэнергетического потенциала местности. Получение навыков расчета энергетических параметров ветра.

В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно. При сильном ветре, от 10 до 12 м/c, ветроустановки вырабатывают достаточно электроэнергии, которую иногда даже приходится сбрасывать в систему или запасать. Трудности возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра. Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью 8 м/с – очень хорошими. Но независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановок применительно к местным метеоусловиям.

1. Описание методики измерений и расчетов

Для проведения анализа ветроэнеретического потенциала требуется предварительно проводить в течение года ежедневные 5-ти кратные измерения скорости ветра с равными промежутками времени: в 9 ч, 12 ч, 15 ч, 18 ч и в 21ч.

В данной лабораторной работе используется база данных метеоизмерений, полученная для системы оптимизации теплопотребления главного корпуса ОГАУ. Измерения проводились ежедневно в течение одного года с интервалом 3 часа.

Порядок обработки результатов измерений следующий.

1. Результаты измерений скорости ветра u₁, м/c, объединяются в группы с интервалом Δu. Общее число измерений N = 2912.

2. Поскольку измерения скорости проводились на высоте h₁ = 2м, а для оценки энергетического потенциала нужна скорость ветра u, м/с, на высоте предполагаемой установки ветротурбин h, определение скорости ветра на высоте h выполняется с помощью известной аппроксимационной зависимости

u = u1( h / h₁ )^1/5 (1.1)

где h принимается равной 100 м.

3. Определяется величина вероятностного распределения скорости ветра

Ф_u = N_ui / N, ………………………………(1.2)

где N_ui – число измерений в i-ом скоростном интервале.

Строится зависимость Ф_u=f(u). Произведение Ф_uΔu может быть интерпретировано как часть времени года, в течение которого скорость ветра имеет значения, заключенные _в интервале от u до u+Δu.

4. Среднее значение скорости ветра u_c, м/с, определяется соотношением

u_c = Σ u_i / N, (1.3)

где Σ u_i – сумма всех измеренных значений скорости.

5. Определяется вероятность Ф_u>u’ появления ветра со скоростью u, большей некоторой заданной скорости u’, для чего складываются вероятности всех скоростных интервалов, в которых u > u’.

Вероятность Ф_u>u’ может быть интерпретирована как часть времени года, в течение которого ветры дуют со скоростью, большей u’.

Строится зависимость Фu>u’ =f(u).

6. Мощность ветрового потока единичного сечения Pu, Вт определяется

P_u= ρu³ / 2 , (2.4)

где ρ – плотность воздуха, принимается равной 1,3 кг/м3.

Произведение P Ф_u представляет собой функцию распределения энергии ветра.

Строится зависимость P Ф_u =f(u).

7. Строится зависимость Pu = f(Фu>u’), позволяющая определить вероятность ожидания ветрового потока заданной мощности.

Все данные измерений и расчетов заносятся в таблицу и обрабатываются в EXCEL. В таблице 1.1 частично представлены результаты измерений и расчетов.

После выполнения обработки измерений и расчетов необходим провести анализ полученных результатов.

Таблица 1.1

Статистический анализ результатов измерений скорости ветра г. Оренбурга

2. Анализ полученных результатов

1. Пользуясь построенной зависимостью Ф_u=f(u), необходимо сравнить

среднее значение скорости ветра с наиболее вероятным значением скорости ветра в данной местности, а также с расчетной скоростью, принимаемой для проектирования ВЭУ (и = 10 – 12 м/с).

2. Пользуясь построенной зависимостью P Ф_u =f(u), определить значение скорости при которой функция распределения энергии ветра имеет максимум и сравнить его с наиболее вероятным значением скорости ветра в данной местности.

3. Пользуясь построенной зависимостью P_u = f(Ф_u>u’), определить вероятность ожидания ветрового потока мощностью 0,5; 1 и 2 кВт.

4. По результатам проведенного анализа сделать выводы и составить

отчет.