ЭНЕРГИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА И МОЩНОСТЬ ВЭУ

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

Масса воздуха определяется по формуле

где — плотность воздуха, кг/м³.

Обычно в расчетах принимают р = 1,226 кг/м³, соответствующую следующим нормальным климатическим условиям: t= 15 ^о С р = 760 мм рт. ст. или 101,3 кПа. Если в (4.1) в качестве т взятсекундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т.е.

Для F= 1 м² получаем значение удельной мощности ветрового потока со скоростью

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. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения N_уд :

|

										25 ;
	4,9	16,55	39,2	76,6

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать:

• по мощности — малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт); 1

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

• по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 4.2, а) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис.4.2, б).

В настоящее время в мире и России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня3 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, преобразующие энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала poтора 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 качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

Рис. 4.2. Виды ветроэнергетических установок:

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

Для каждой ветроэнергетической установки можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

1) при которой мощность ВЭУ равна нулю;

2) при которой и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

3), при которой и 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 полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра на высоте башни . (м) и диаметра ротора ВЭУ (м) рассчитывается по формуле

(6.3)

где определяется по формуле (6.2); — ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, определяемая по формуле . — КПД ротора (около 0,9); — КПД электрогенератора (около 0,95); — коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от воздушного потока. После подстановки всех указанных значений в (6.3) получаем

для ориентировочных расчетов

Для малых ВЭУ находится обычно в пределах 2,5—4 м/с,

а — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4—5 и 12—15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ составляет 60 м/с.

Чем выше расчетная скорость ветра, тем выше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве нее применяется среднегодовая скорость ветра , 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 (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю, и их использование может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов. Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра выше, чем летом; в полдень выше, 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 десятков или даже сотен ВЭУ 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: 80 000, 6218 и 31 ТВт • ч. На сегодняшний день использование указанных ресурсов ветра в России практически неощутимо. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 или 6 м/с, то использование ВЭУ весьма перспективно.

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 24 927 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37%).