2020-05-13
1326Принцип работы ветроэнергетической установки [2, С. 507–508], [3, С. 81–84]
Принцип действия ветроэнергетической установки заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую. Это преобразование осуществляется в несколько стадий.
Ветер раскручивает лопасти рабочего колеса, в результате чего с вала ротора снимается механическая энергия, приводящая в действие электрогенератор либо непосредственно, либо через повышающую частоту вращения вала передачу.
В большинстве конструкций ветроэнергетических установок для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию используют принцип подъемной силы крыла.
Если лопасть, имеющая форму крыла, омывается ламинарным потоком воздуха, то за счет разной скорости воздуха над верхней и под нижней поверхностями лопасти возникает разность давлений и на лопасть действуют подъемная сила и сила лобового сопротивления. При разработке профиля лопасти стремятся к тому, чтобы подъемная сила была максимальной, а сила лобового сопротивления – минимальной.
|
|
|
Электрогенератор вырабатывает электрическую энергию, которая подается на инвертор, где преобразуется до нормативных показателей частоты и напряжения.
Ветроэнергетические установки обычно работают при скоростях ветра от 4 до 25…30 м/с. При скорости ветра около 4 м/с рабочее колесо вступает в работу, а когда скорость ветра превышает 25…30 м/с рабочее колесо отключается во избежание опасности разрушения. Коэффициент полезного действия рабочего колеса составляет около 35 %.
Классификация ветроэнергетических установок [1, С. 121], [3, С. 80–81]
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) классифицируют по следующим признакам.
1. В зависимости от максимальной выходной мощности ВЭУ бывают:
– мини установки – выходная мощность менее 10 кВт;
– малые установки – от 10 до 100 кВт;
– средние установки – от 100 до 500 кВт;
– крупные установки – свыше 500 кВт.
2. По числу лопастей рабочего колеса различают одно-, двух-, трех- и многолопастные установки.
3. В зависимости от отношения рабочего колеса к направлению воздушного потока бывают ветроустановки с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Ветроустановки с горизонтальной осью вращения ветродвигателя (рис. 2.1) достаточно широко используются, однако имеют существенный недостаток. В таких установках электрогенератор должен быть установлен на высокой башне (что затрудняет его обслуживание и ремонт), вместе с другим оборудованием должен все время разворачиваться по направлению к ветру, и, кроме того, ему приходится во время работы выдерживать переменные нагрузки, например, из-за порывов ветра.
|
|
|
| Рис. 2.2. Схемы ротора Дарье |
В ветроустановках с вертикальной осью вращения электрогенератор может быть размещен непосредственно на земле. Одним из самых распространенных ветродвигателей для таких ветроустановок является ротор Дарье (см. рис. 2.2). Он может быть оснащен двумя или тремя тонкими лопастями. Такой ротор вращается с очень большой скоростью (в 3…4 раза превышающей скорость ветра). Преимуществом конструкции ротора Дарье является то, что она позволяет использовать ветер, дующий в любом направлении. Основной недостаток заключается в том, что ветродвигатель с ротором Дарье сам не запускается, для выхода на нормальный режим работы его раскручивают до рабочих скоростей с помощью вспомогательного двигателя, что требует затрат электроэнергии.
Типичные ветродвигатели системы Дарье имеют высоту до 20 м, ширину до 10 м. Пиковая мощность электрогенератора может достигать 100 кВт.
Основы расчета ветроустановок [1, С. 126–127], [ 2, С. 507]
Наиболее важным параметром, характеризующим энергетический потенциал ветра, является его скорость. Кинетическая энергия потока воздуха рассчитывается по формуле, Дж
 ,
| (2.1) |
где ρ – плотность воздуха, кг/м3; V – объем, занимаемый воздухом, м3; m – масса воздуха, кг; w – скорость воздуха, м/с.
При расчетах используется значение плотности воздуха, определенное при температуре t = 15 °С и давлении p = 0,1 МПа, ρ = 1,226 кг/м3. Если вместо массы воздуха в формулу (5.1) подставить его секундный массовый расход
,
то можно определить мощность ветрового потока, проходящего через площадь F, Вт
 .
| (2.2) |
Разделив обе части формулы (5.2) на площадь, можно получить значение удельной мощности ветрового потока, Вт/м2
 .
| (2.3) |
В ветроэнергетике обычно используют рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 10-балльному ветру (сильный шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Значения удельной мощности ветрового потока для рабочего диапазона скоростей ветра приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Зависимость удельной мощности ветрового потока от скорости ветра
| w, м/с | 2 | 3 | 4 | 5 | 10 | 14 | 18 | 20 | 23 | 25 |
| N уд, Вт/м2 | 4,90 | 16,55 | 39,2 | 76,6 | 613 | 1682 | 3575 | 4904 | 7458 | 9578 |
Отношение мощности, развиваемой ротором ветровой турбины, к мощности ветрового потока называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра
 ,
| (2.4) |
где N р – мощность, развиваемая ротором ветровой турбины, Вт; D – диаметр ротора ветровой турбины, м.
Теоретически максимально возможное значение коэффициента мощности 
. В практически реализованных ветроэнергетических установках этот коэффициент не превышает 0,45.
С учетом механических и электрических потерь мощность ветроэнергетической установки составит, Вт
 ,
| (2.5) |
где ηм – механический КПД; ηэл – электрический КПД.
Механический КПД ВЭУ составляет порядка ηм = 0,9, а электрический – ηэл = 0,95.
Вопросы для самопроверки
1. Опишите принцип работы ветроэнергетической установки.
2. При какой скорости ветра целесообразна и безопасна работа ветроэнергетической установки?
3. Как классифицируются ветроэнергетические установки в зависимости от максимальной выходной мощности?
4. Как классифицируются ветроэнергетические установки в зависимости от числа лопастей рабочего колеса?
5. Укажите основной недостаток ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения ветродвигателя.
6. Опишите особенности конструкции и работы ротора Дарье.
7. Укажите достоинства и недостатки ротора Дарье.
8. Как определяется мощность ветрового потока, проходящего через площадь F?
9. Что показывает коэффициент использования энергии ветра?
10. По какой формуле может быть определена мощность ветроэнергетической установки с учетом механических и электрических потерь?
|
|
|
Литература
1. Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное издание / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: ИП РадиоСофт, 2008. – 228 с.
2. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).
3. Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
