ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ИСТ.-99-136. 5. ветроэнергетика 1
 Скачать 472.17 Kb.
|
99 35. Сравнить мощность, теряемую водой при падении с Ниагарского водопада Нм мс) и водопада Виктория Нм, а = 1400 мс. Ответ Мощность, теряемая водой Ниагарского водопада, в 1,64 раза превосходит мощность, теряемую водой водопада Виктория. 36. Сколько энергии вырабатывает ГЭС, построенная на Ниагарском водопаде за год, если КПД преобразования мощности падающей воды η = 74 %. Расход потока Q = 5730 мс, Нм. Ответ W = 17,52 ТВт ⋅ час. 5. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА 5.1. В ВЕДЕНИЕ Современная ветроэнергетика се техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки мощностью от единиц киловатт до нескольких мегаватт серийно производятся в Европе, США, России и других странах мира. Основная часть таких установок применяется для производства электроэнергии как в единой энергосистеме, таки в автономных системах. Как будет показано далее, при скорости ветра и плотности воздуха ветроколесо, ометающее площадь А, развивает мощность 2 U A C P 3 0 p ρ = , (5.1) где р – параметр, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и называемый коэффициентом мощности. Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна С р , плотности воздуха и кубу средней скорости, те. P Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) рассчитывается для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерном. В таком случае с 1 м 2 ометаемой площади снимается порядка 300 Вт при значении С р от 0,35 до 0,45. В табл. 5.1 представлено классификация и основные характеристики ВЭУ различных классов. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25…33 % его максимального проектного значения. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 100 Таблица 5.1 Параметры ВЭУ различной проектной мощности при скорости ветра 12 мс Класс ВЭУ Расчетная (проектная) мощность, кВт Диаметр ветроколеса Период вращения Т, с Малые 10…25 6,4…10 0,3…0,4 Средние 10…100…150 14…20…25 0,6…0,9…1,1 Большие 250…500…1000 32…49…64 1,4…2,1…3,1 Очень большие 2000…3000…4000 90…110…130 3,9…4,8…5,7 Примечание Параметры рассчитаны для коэффициента мощности С р =30 %, плотности воздуха 1,2 кг/м 3 , быстроходности Z = 6. Расчетная мощность Срок службы ВЭУ обычно составляет 15…20 лета их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долларов США за 1 квт проектной мощности. Одно из основных условий при проектировании ВЭУ – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а один разв лет бывают ветры со скоростью, превышающей враз среднюю, поэтому установки приходится проектировать с большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень сильно колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки порядка циклов залет работы. Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящего к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти тепловые явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме синоптических закономерностей многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими фаторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная компонента значительно больше вертикальной. Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 1,2 ⋅ 10 Вт, что равно примерно 1 % поглощенной энергии солнечного излучения. Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована, вряд ли возможно. Однако в ряде стран, например в Германии и Великобритании, доля ветроэнергетики в производстве всей электроэнергии доходит до 20 %. Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны и уже вытесняют дизельные электростанции, в особенности, в отдаленных районах и на островах вследствие дороговизны доставки органического топлива. КРАТКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Ветроэнергетические установки (ВЭУ) классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. На рис. 5.1 показаны взаимодействия воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы. Если воздушный поток, имеющий скорость u, набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью V, то скорость потока относительно лопасти будет При взаимодействии потока с лопастью возникают 1) сила сопротивления F 0 , параллельная вектору относительной скорости набегающего потока V 2 ; 2) подъемная сила F L , перпендикулярная силе Слово подъемная, разумеется, не обозначает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх 3) завихрение обтекающего лопасти потока 4) турбулизация потока, те. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность возникает как за колесом, таки передним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, возмущенном другими лопастями 5) препятствие для набежавшего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным относительно площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое больше геометрическое заполнение, чем двухлопастное. Рис. 5.1. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы (U – скорость ветра V – скорость элемента лопасти, V r – скорость элемента лопасти относительно ветра F D – сила лобового сопротивления, PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 102 действующая в направлении скорости V r ; F L – подъемная сила, перпендикулярная силе Чаще всего ВЭУ классифицируют последующим признакам рис. 5.2): 1. По расположению оси ветроколеса по отношению к потоку ветра, ось вращения ветроколеса может быть параллельна или перпендикулярна воздушному потоку. В первом случае установка называется горизонтально-осевой, во-втором – вертикально-осевой. 2. По типу вращающей силы установки использующие силу сопротивления, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, которая существенно больше скорости ветра. 3. По геометрическому заполнению ветроколеса для основной массы установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и требуют большего времени для выхода на этот режим. Поэтому первые установки используются в качестве приводов водяных насосов, и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые – в качестве приводов электрогенераторов, которым требуется высокая частота вращения. 4. По заданной цели установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной установки для производства электроэнергии, те. сопряженные турбина и электрогенератор называются ветроэлек- трогенератром, аэрогенератором, или установками с преобразованием энергии. 5. От частоты вращения ветроколеса существуют два вида ВЭУ, подключенных к мощной энергосистеме, частота вращения постоянна вследствие эффекта автосихронизации, но такие установки менее эффективно используют энергию ветра, чем установки с переменной частотой вращения. 6. По типу сопряжения ветроколеса с электрогенератором если ветроколесо связано напрямую с генератором, то такое соединение называется жестким а если через буфер, роль которого играет промежуточный накопитель энергии, то такое соединение называют частично развязанным соединением. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 104 ВЕТРОУСТАНОВКИ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ И ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ Рассмотрим вначале ВЭУ с горизонтальной осью вращения, так называемый пропеллерный тип, наиболее широко распространенный на практике. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположениеи ветроколесо может иметь аэродинамический стабилизатор, удерживающий его в рабочем положении. При заднем расположении башни оно частично затеняет ветроколесо и турбулизует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают – уменьшение нагрузки, повышающей шуми флуктуации выходных параметров ВЭУ. Направление ветра может измениться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому у ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели. В ВЭУ обычно применяется двух- или трехлопастные ветроколеса последние отличаются очень плавным ходом. После ветроколеса стоит редуктор, соединенный с электрогенератором, все это расположено наверху опорной башни, в поворотной головке. Все это удобнее размещать в самом низу, у основания башни, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента умаляют все преимущества такого размещения. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет только за счет удлинения вала установить редуктор с генератором у подножия башни. Основными недостатками таких установок являются 1) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов 2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Поэтому подавляющее число ВЭУ выполнено по схеме горизонтально-осевых установок, однако исследования вертикально-осевых установок все же продолжаются. Кратко опишем основные типы вертикально-осевых ВЭУ (рис. 5.2). Чашечный ротор (анемометр Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 106 Рис. 5.3. К расчету мощности ветрового потока (аи модель взаимодействия ветрового потока с ветроколесом (б) Плотность воздуха зависит от высоты над поверхностью Земли, а также метеорологических условий. Скорость ветра увеличивается с высотой, зависит от местных географических условий и довольно сильно меняется во времени. Для расчета будем считать, что скорость ветра U 0 и плотность ρ являются постоянными во времени ив любом поперечном сечении воздушного потока. На уровне моря плотность воздуха равна 1,2 кг/м 3 , а необходимая для эффективной работы ветроустановки скорость ветра – порядка 10 мс. При этих данных энергия ветра Р =600 Вт/м 2 При штормовом ветре U 0 25 м, тогда Р 10000 Вт/м 2 В теории ветроколеса предполагается, что проходящие через него линии тока не претерпевают разрыва, а само колесо заменяется таким проницаемым диском, при взаимодействии с которым воздушный поток отдает ему часть энергии, в силу чего давление в потоке и его импульс уменьшаются. Кроме того, в процессе взаимодействия в набегающий ламинарный поток вносятся различные возмущения, но здесь ив дальнейшем мы ими можем пренебречь. На рис. 5.4, б величина А – площадь, ометаемая ветроколесом, Аи А – площади поперечных сечений проходящего через ветроколесо потока соответственно дои за ним, причем сечение А расположено за пределами возмущенной ветроколесом области, а сечение А – вместе наименьшей скорости потока. Положение площадей Аи А можно определить по результатам экспериментальных измерений поля скоростей в окрестности ветроколеса. Непосредственно в сечении А провести такие измерения нельзя из-за вращения ветроколеса. Действующая на ветроколесо сила F 1 , равна изменению количества движения массы проходящего через него в единицу времени воздуха m & , то есть можно считать, что F = m & U 0 – m & U 2 (5.3) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 108 P = А- а U 0 2 [U 0 – (1 –a) U 0 ] = 0,5 ρ A 1 U 0 3 [4a(1-a) 2 ] . (5.14) Сопоставляя это выражение с (5.2), получим для мощности Р = С р Р 0 , (5.15) где Р – мощность набегающего потока С р – часть этой мощности, передаваемая ветроколесу (эту часть называют коэффициентом мощности, равная С р = 4 а (1 – а) . (5.16) Иногда вместо коэффициента а применяют коэффициент b = U 2 /U 0 , также называемый коэффициентом торможения потока. Легко показать, что максимальное значение коэффициента С р имеет величину (рис. 5.4): С р max = 16/27 = 0,59 . (5.17) Таким образом, в лучшем случае только немногим более половины энергии набегающего ветрового потока можно использовать для преобразования кинетической энергии потока в энергию вращения ветроколеса. Это объясняется тем, что воздушный поток должен обладать определенной кинетической энергией, чтобы покинуть область ветроколеса. Равенство (5.17) называется критерием Бетца. Рис. 5.4. Зависимость коэффициента мощности С р от коэффициента торможения потока а |
б)
в)
Самоориентация
С серводвигателем
С дополнительным боковым колесом
Рабочее положение
Выключенное положение
Рис. 5.2. Классификация ветроколес с горизонтальной осью (ас вертикальной осью (б с концентраторами (усилителями) ветрового потока (в 1 – однолопастное колесо 2 – двухлопастное
3 – лопастное 4 – многолопастное; 5 – чашечный анемометр
6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса; 10 – усилитель потока
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ВЭУ разработаны или предложены различные варианты таких усилителей потока. Это могут быть диффузоры или конфузоры, направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади большей, чем площадь ометаемой поверхности ветроколеса. Однако в промышленных ВЭУ концентраторы не получили распространения. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Далее в этом подразделе получим соотношения для мощности, крутящего момента и силы сопротивления, действующих на ветроколесо. В этом анализе будем использовать линейное приближение. В отсутствие турбулентности объем воздуха, проходящего в единицу времени через поперечное сечение ветроколеса площадью А (рис. 5.3), обладает кинетической энергией, равной
P
0
=0,5(
ρ A
1
U
0
)U
0 2
=0,5
ρA
1
U
0 3
(5.2) где ρ и
U
0
– плотность и скорость набегающего воздушного потока. Таким образом, Р
0
есть кинетическая энергия ветрового потока.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
1
= m
&
(U
0
– U
2
) U
1
(5.4) Но эта мощность Р есть энергия, теряемая в единицу времени ветровым потоком, взаимодействующим с вветроколесом, которая равна
P
w
= 1/2 m
&
(U
0 2
–U
2 2
) . (5.5) Приравнивая (5.4) и (5.5), получим
(U
0
–U
2
) U
1
= 0,5 (U
0 2
–U
2 2
) = 0,5(U
0
–U
2
) (U
0
+U
2
) . (5.6) Из этого соотношения следует
2
)
U
(U
U
2 0
1
+
=
. (5.7) То есть из линейной теории следует, что скорость воздушного потока в плоскости ветроколеса не может быть меньше половины скорости набегающего потока. Масса воздуха, проходящего через поверхность А, ометаемой ветроколесом в единицу времени, m
&
= А
U
1
(5.8) Тогда (5.4) примет вид
P = А
U
1 2
(U
0
– U
2
) . (5.9) А после замены из (5.7) получим
P = А
U
1 2
(U
0
– (2U
1
– U
0
)) = 2
ρ А
U
1 2
(U
0
– U
1
). (5.10) Обозначим через а величину а = (U
0
– U
1
)/ U
0
,
(5.11) называемую коэффициентом торможения потока. Тогда величина скорости будет иметь вид
U
1
=(1 – a ) / U
0
(5.12) Нос учетом (5.7) и (5.11) а = (U
0
– U
2
)/(2 U
0
) . (5.13) Очень часто величину а также называют коэффициентом индукции или возмущения. Подставляя изв, получим
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com