2020-05-12
1713
Практическая работа №1
Расчет горизонтальной ветроэнергетической установки
Общие положения
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) предназначены для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Наиболее распространены горизонтальные ВЭУ (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема горизонтальной ВЭУ
Современные горизонтальные ВЭУ преобразуют в электроэнергию подъемную силу ветра.
Ветроколесо (ротор) преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины, а расположенные в гондоле редуктор (мультипликатор) и электрогенератор преобразуют механическую энергию в электрическую. Диаметр ветроколеса может составлять от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин.
На мощность, вырабатываемую ВЭУ, значительно влияет траектория движения воздушного потока, которая зависит от многих составляющих, в частности, от скорости ветра, от рельефа и застройки местности. Объекты, расположенные на пути ветрового потока, образуют ветровые тени различной высоты и конфигурации, что влияет на эффективность ВЭУ. Поэтому при выборе высоты башни ВЭУ следует руководствоваться правилом: нижняя часть лопастей ветроколеса должна быть как минимум на 10 метров выше самого высокого препятствия в пределах 150 метров (а в случае протяженного препятствия - 1 км).
|
|
|
Методика расчета
Энергия ветрового потока, проходящего через площадь, отметаемую лопастями ветроколеса, определяется по формуле 1
(1)
где 
- скорость ветра, м/с;
m - секундный массовый расход воздуха, кг/с.
С увеличением высоты поверхностные эффекты уменьшаются, а скорость ветра возрастает. Это увеличение скорости с высотой называют градиентом скорости ветра. Скорость ветра на высоте расположения ветроколеса находится из уравнения градиента скорости.
(2)
где - скорость ветра, измеренная на высоте h 1, м/с;
h 1 - высота, на которой известно значение скорости ветра, м;
h 2 - высота башни ВЭУ, на которой будет расположено ветроколесо, м;
- коэффициент градиента (увеличения) скорости ветра с увеличением высоты.
Коэффициент градиента () определяется по таблице 1 в зависимости от высоты препятствий, расположенных в радиусе 150 м.
Таблица 1 -Коэффициент градиента ветра [1]
|
| Описание местности в радиусе 150 м |
| 0,1 | Идеально гладкая поверхность (спокойная вода) |
| 0,2 | Плоские пастбища, низкие кустарники (высота до 2 м) |
| 0,3 | Деревья, холмы, здания в отдалении (расстояние 120-150 м) |
| 0,4 | Недалеко расположены деревья или здания (расстояние <120 м) |
| 0,5 | Рядом расположены деревья или здания (расстояние <50 м) |
| 0,6 | Окружение высокими деревьями или зданиями (расстояние <100 м) |
Массовый расход воздуха через площадь, отметаемую лопастями ветроколеса, рассчитывается по формуле:
|
|
|
, кг/с, (3)
где 
- плотность воздуха, кг/м3;
- площадь, отметаемая лопастями ветроколеса, м2.
Плотность воздуха при рабочих условиях определяется по формуле 4
(4)
где 
- номинальная плотность воздуха на высоте уровня моря при температуре 15 °С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст., кг/м3, = 1,226 кг/м3;
В - барометрическое давление, мм рт. ст;
Т - рабочая температура воздуха, К.
Площадь, отметаемая лопастями ветроколеса, рассчитывается по формуле 5
(5)
где r - радиус круга, отметаемого лопастями ветроколеса, м. За радиус принимается длина лопасти ветроколеса 1.
Электрическая мощность, развиваемая ВЭУ, рассчитывается по формуле 6
(6)
зависит от скорости ветра и изменяется от 0,05 до 0,593. Принимать при расчетах для горизонтального ВЭУ 
.
- КПД установки;
(7)
где 
- КПД ветроколеса;
- КПД электрооборудования.
Пример выполнения практической работы
Рассчитать скорость ветра и мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) при значениях высоты башни h2 = 10; 30; 60; 100 м.
Рассчитать наименьшую допустимую высоту башни ВЭУ и определить скорость ветра и мощность установки при этом значении высоты. Построить график зависимости N = f (h2). Сделать вывод по результатам работы.
Исходные данные:
Скорость ветра на высоте 10 м.: 8 м/с;
Температура воздуха: 23 0С;
Барометрическое давление: 760 мм рт. ст.;
Диаметр ветроколеса: 6 м;
КПД ротора: 0,9;
КПД электрооборудования: 0,9;
Тип самого высокого препятствия: здание;
Высота препятствия: 30 м;
Расстояние до препятствия: 150 м.
Расчет:
Площадь, отметаемая лопастями ветроколеса ВЭУ, определяется по формуле (5) при длине лопасти 3 метра:
м2.
Плотность воздуха при рабочей температуре воздуха 23 °С определяется по формуле 4
кг/м3
Минимальная высота башни ВЭУ, исходя из общих положений расчета ВЭУ, рассчитывается с учетом высоты самого высокого препятствия в радиусе 150 метров и диаметра ветроколеса:
м
Скорости ветра на различной высоте рассчитываются по формуле (2).
Поскольку наиболее высокое препятствие является одиночным, имеет высоту более 2 м и находится на расстоянии 150 м от ВЭУ, коэффициент градиента скорости ветра по табл. 1 составляет 0,3. Тогда:
при h2 = 10 м;
;
= 8 м/с.
при h2 = 30 м;
;
= 11,12 м/с;
при h2min = 43 м:
;
= 12,39 м/с;
при h2= 60 м:
;
= 13,70 м/с;
при h2= 100 м:
;
|
|
|
= 15,96 м/с;
Массовый расход воздуха через площадь, отметаемую лопастями ветроколеса, определяется по формуле (3) для каждого значения скорости ветра:
m = 1,193 • 8 • 28,26 = 269,71 кг/с;
m = 1,193 • 11,12 • 28,26 = 374,90 кг/с;
m = 1,193 • 12,39 • 28,26 = 417,72 кг/с;
m = 1,193 • 13,70 • 28,26 = 461,88 кг/с;
m = 1,193 • 15,96 • 28,26 = 538,08 кг/с.
Энергия ветрового потока на различной высоте ветроколеса определяется по формуле (1):
Вт;
Вт;
Вт;
Вт;
Вт;
КПД установки по формуле (7) составит:
П = 0,9 • 0,9 = 0,81;
Мощность, развиваемая ВЭУ при различной высоте башни,
рассчитывается по формуле (6):
N = 0,81 • 0,45 • 8630,72 = 3145,9 Вт;
N = 0,81 • 0,45 • 23179,02 = 8448,75 Вт;
N = 0,81 • 0,45 • 32062,54 = 11686,8 Вт;
N = 0,81 • 0,45 • 43345,13 = 15799,3 Вт;
N = 0,81 • 0,45 • 68530,30 = 24979,3 Вт.
Зависимость N = f (h2) изображена на рисунок 2.
Рисунок 2 - График зависимости N = f (h2)
Вывод: Мощность ветроэнергетической установки возрастает с увеличением высоты башни. Мощность установки при минимальной высоте башни (43 метра) составит N =11686,8 Вт = 11,7 кВт.
