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

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.

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

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:

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

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

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:

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

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).

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».

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

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.

3. Определяем угловую скорость вращения ветротурбины:

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

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).

3. Определяем угловую скорость вращения ветротурбины:

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

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.

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.

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.

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-

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.

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?

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: