Практическая работа по ветроэнергетике. План практической занятии 1
 Скачать 47.66 Kb.
|
|
«УТВЕРЖДАЮ» Заведующий кафедрой «Альтернативные виды энергии» Энергетического факультета Ташкентского государственного технического университета им. И.А.Каримова ____________И.А.Юлдошев “____” __________2022 г ПЛАН Практической занятии №1
Название учебного предмета: Ветреная энергетика Тема: (Аниқ энергия ва ялпи салоҳият энергиясини аниқлаш). Определения точной и потенциальной энергии ветра. Время отведенное на занятии: 80 мин. Вид занятии: Практический ВВЕДЕНИЕ. Ветер характеризуется скоростью и направлением. Причём различают порыв ветра – мгновенное значение скорости ветра, среднее значение скорости ветра в промежутке времени (10 мин, 1 час и т.д). Чтобы определить потенциал ветреной энергии данной местности необходимо проводить многолетные (5-10 лет) измерения средней скорости ветра. Эти данные позволяют определит потенциальную энергию ветра для данной местности. Давайте мы с Вами вспомним основные параметры ветроэнергетики: Ветер — циркуляционное перемещение воздушных масс, вызванное неравномерностью нагрева земной поверхности (непостоянной в течение суток, сезона и в пространстве), а также вращением земли вокруг своей оси, вызывающем так называемую кариолисовую силу инерции (от греческого karyon — орех, ядро ореха — вид земли из космоса). Это глобальные причины, вызывающие воздушные течения общей циркуляции атмосферы земли. Однако существует множество причин местного масштаба вызывающих «местные ветры», то есть ветры свойственные определённым районам земного шара. Местные ветры возникают независимо от более мощных воздушных течений, лишь налагаясь на них или же представляют собой местные видоизменения общих течений. По происхождению различаются следующие местные ветры, как правило, носящие свои названия: А. Ветры, связанные с особенностями нагревания земной поверхности: бризы — в прибрежных районах морей и больших озер и водохранилищ, как разница в нагреве суши и воды; горно-долинные ветры в горах, меняющие направления дважды в сутки; ледниковые ветры, постоянно дующие вниз по склонам ледниковых долин. Б. Ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы над горными массивами. При этом на подветренных склонах гор воздух получает нисходящую составляющую скорости и усиливается в над- ветренной части. В результате создаются местные ветра, получившие названия фёна, боры, сармы и тому подобные. Такие ветры определяют характерные периодические изменения в погоде: потепление и падение влажности при фёне, похолодание при боре. В. Ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, но без нисходящей составляющей, а топографически усиленные в данном районе: афганец, урсатоевский ветер в Средней Азии, каньонный ветер в Северной Америке, косава на балканском полуострове и другие. Г. Ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, даже не усиленные в данном районе, но создающие в нем особый важный для хозяйственной деятельности режим погоды, приносящие потепление или похолодание, песчаную пыль или влагу: суховей в южных областях России и Украины, сирокко в Средиземноморье, хамсин в Египте, хармаштан в Западной Африке, блиццард в Северной Америке, пурга в Северной и Центральной Азии, памперо в Аргентине и другие. Д. Многочисленные пыльные вихри, шквалы, пыльные и песчаные бури, связанные с неустойчивой стратификацией (распределение температуры воздуха по вертикали) атмосферы при сильном нагревании воздуха снизу или притоке холодного воздуха в высоких слоях. Таким образом, ветер как явление природы сильнейшим образом влияет на жизнь и хозяйственную деятельность людей. Но оказалось возможным использовать его и для производства механической и электрической энергии. КАКИМИ ПРИБОРАМИ ИЗМЕРЯЕТСЯ СКОРОСТЬ И НАПРАВЛЕНИЕ ВЕТРА?В настоящее время почти повсеместно скорость ветра определяется прибором, называемым анемометром, обычно чашечного типа. Чашки вращаются вокруг вертикальной оси, на которой расположен маленький генератор, генерирующий импульсы, количество которых пропорционально скорости вращения. Эти данные пересчитываются (обычно автоматически) в скорость ветра. Направление ветра определяется прибором типа «флюгер». Обычно оба прибора совмещаются в единую конструкцию. ЧТО ТАКОЕ ВЕТРОУСТАНОВКА И КАК ОНА РАБОТАЕТ?Ветроустановка (ВЭУ) преобразует энергию ветра в электрическую или механическую энергию. Схематично это выглядит так. Лопасти ветроколеса связаны с оголовком, к которому крепится вал, поток ветра набегает на лопасти ветроколеса и приводит их в движение. Этот вал через муфту соединяется с входным валом редуктора (мультипликаторы). Далее к выходному валу редуктора присоединяется генератор, который и вырабатывает электрическую энергию. А редуктор нужен для того, чтобы повысить скорость вращения вала до величины необходимой генератору. Ветроустановки бывают двух типов — с горизонтальной (рис. 1) и вертикальной (рис. 2) осью вращения (ротор Дарье). Первые составляют более 98% от всех ветроустановок. Ветроустановка включает следующие основные подсистемы: ветроколесо с лопастями, превращающее энергию ветра в механическую энергию вращения вала, кабину, в которой размещены основные устройства и механизмы, в том числе главный подшипник, редуктор и генератор; башню, поддерживающую кабину и ветроколесо на определенной высоте; электрические аппараты, электродвигатели, оборудование и приборы; электрические кабели и провода; заземляющие устройства и повышающий трансформатор. Принятое за рубежом название — «ветротурбина» является не совсем точным, поскольку в составе ветроустановки имеется генератор и много другого оборудования, кроме ветроколеса, которое и ассоциируется с понятием «турбина». КАКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА НУЖНО ЗНАТЬ, ЧТОБЫ СООРУДИТЬ ВЕТРОУСТАНОВКУ?Совокупность характеристик ветра с точки зрения его использования для производства механической или электрической энергии называется ветроэнергетическим кадастром. Основными составляющими кадастра являются: Среднегодовая скорость ветра. Годовой и суточный ход ветра, то есть его изменения по суткам месяца и месяцам года. Повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей, то есть сколько времени в течение года держится определенная скорость ветра. Максимальная скорость ветра. Распределение ветровых периодов и периодов штилей. Удельная мощность и удельная энергия ветра. Ветроэнергетические ресурсы региона, то есть сколько энергии можно выработать с определенной площади. ЧТО ТАКОЕ «АПВИНД» И «ДАУНВИНД» ВЕТРОУСТАНОВКИ?Эти слова относятся к тому, как ветроустановка встречает ветер. Если она направлена лопастями (ветроколесом) к ветру, то по-английски это называется «upwind», то есть «на ветер». Если ветер сначала набегает на гондолу, а затем на ветроколесо — «downwind» то есть «под ветер». В первом случае ветроустановка должна иметь специальный привод для поворота на ветер и это ее удорожает. Во втором случае «под ветер» установка становится сама, роль привода поворота играет само ветроколесо. Но оказалось, что в этом случае ВЭУ генерирует инфразвуковые колебания отрицательно влияющие на людей и животных. Поэтому от установок «downwind» практически отказались все изготовители. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ МОЩНОСТЬ ВЕТРОУСТАНОВОК?Мощность ВЭУ (РВЭУ) зависит от скорости ветра в кубе (V3), измеряемого в м/сек, диаметра ветроколеса в квадрате (Д2), плотности воздуха (р=1, 22кг/м3), коэффициента использования энергии ветра (Cp), коэффициентов полезного действия редуктора (ηред) и электрогенератора (ηген) или точнее коэффициента преобразования механической энергии в электрическую. МОЖНО ЛИ РЕГУЛИРОВАТЬ МОЩНОСТЬ ВЕТРОУСТАНОВОК?Да, можно. Существуют два способа регулирования мощности. Первый способ — поворотом лопасти относительно направления ветра, изменяя так называемый «угол атаки», то есть угол под которым ветер набегает на лопасть и от которого зависит «подъемная» сила лопасти, которая преобразуется в ее вращение. Этот способ по-английски называется «питч-регулирование» (pitch — «ставить», то есть лопасть принудительно ставится в определенное положение). Ветроустановки с поворотом лопастей можно использовать для регулирования мощности как в зависимости от скорости ветра, так и по заданию диспетчера. При этом наибольшая возможная мощность определяется скоростью ветра. Второй способ заключается в том, что профиль лопасти выполняется различным по длине. В результате при увеличении скорости ветра на отдельных частях лопасти наступает срыв потока и ее «подъемная» сила уменьшается. Таким образом, при скорости ветра выше номинальной удается держать мощность ветроустановки равную номинальной. Способ называется «стол» (stall — «застревать», то есть часть потока ветра как бы застревает и не производит работу. В ветроустановках такого типа принудительно регулировать мощность нельзя. И это их недостаток. Но их достоинство состоит в том, что не нужен сложный механизм поворота лопастей. Тем не менее, практически во всех мощных ВЭУ используется первый способ. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА? КАКОВО ЕГО НАИБОЛЬШЕЕ ЗНАЧЕНИЕ?Коэффициент использования энергии ветра (Cp) зависит от многих конструктивных особенностей, но, в конечном счете, от профиля лопасти и от степени ее шероховатости, а также от соотношения между скоростью вращения лопастей и скоростью ветра, называемом коэффициентом быстроходности. Этот коэффициент определяет, в конечном счете, экономичность ветроустановки. Независимо друг от друга зарубежный ученый А. Бетц и наш Н.Е. Жуковский в начале 20 века определили максимальное значение коэффициента Cp равное 0,593, то есть даже идеальная ветроустановка должна пропускать мимо себя примерно 40% энергии набегающего потока. В КАКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЕЙ ВЕТРА РАБОТАЕТ ВЕТРОУСТАНОВКА?Ветроустановку характеризуют следующие параметры ветра: стартовая скорость ветра, обычно в диапазоне от 2,5 до 4, 0 м/с, при которой ВЭУ начинает вращение; номинальная скорость ветра, обычно от 10 до 14 м/с, при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения; максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается, обычно в диапазоне 20-25 м/с. Существует еще так называемая «буревая скорость ветра». Это скорость, при которой остановленная ветроустановка не должна разрушаться (обычно от 60 до 80 м/с). ПОЧЕМУ ПРИ СКОРОСТИ ВЕТРА БОЛЕЕ 25 М/С ВЕТРОУСТАНОВКА ОСТАНАВЛИВАЕТСЯ?Ветроустановка рассчитывается на определенную мощность, например 1 МВт. При скорости 12-13 м/с мощность генератора достигает номинального значения 1 МВт и в диапазоне 13-25 м/с остается постоянной, то есть уже значительная мощность ветропотока не используется, так как нельзя перегружать генератор выше его номинальной мощности. Дальнейшее увеличение рабочего диапазона нецелесообразно, т. к. скорости ветра более 25 м/с маловероятны, а давление ветра на ветроколесо при его вращении пропорционально площади ометаемой поверхности. Эта сила давления пытается опрокинуть ВЭУ и приходится усиливать фундамент и его крепление к башне. Тогда как при остановленном ветряке площадь, на которую давит ветер, равна сумме площадей лопастей. Эта сумма в десятки раз меньше площади ометаемой поверхности (площади круга). Поэтому остановленные ВЭУ спокойно переносят штормовые ветры. ЧТО ТАКОЕ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ (КИУМ)? ГОВОРЯТ, ОН ОЧЕНЬ МАЛ У ВЕТРОУСТАНОВОК.Коэффициент использования установленной мощности (Киум) есть отношение фактически выработанной электроэнергии в течение года, к энергии в предположении, что установка работает на полную мощность в течение года. Другими словами это отношение действительной выработки электроэнергии к максимально возможной, т. е. максимальное значение коэффициента равно единице или 100%. Но в жизни и для традиционных электростанций он колеблется от 0, 4 до 0, 8. Наибольший Киум у атомных и геотермальных электростанций (0,7 - 0,8), наименьший у гидроэлектростанций, поскольку на них возлагается снятие пиков нагрузки. А эти пики длятся всего 4-5 часов в сутки. Средний Киум всех электростанций России в 2009 году составил 0,5. А средний Киум для дизельных электростанций в России — 0,18. Такое низкое использование установленной мощности дизельных электростанций объясняется двумя обстоятельствами. Первое — дизельные электростанции, как правило, работают в автономной энергосистеме, в таких системах нагрузка ночью падает почти до нуля, а вечером имеет максимум. Вот и приходится мощность дизеля выбирать по максимуму нагрузки, поэтому остальное время дизель-генератор работает с недогрузкой. Второе — дизель-генератор в автономных энергосистемах должен иметь резерв, на случай выхода из строя основного дизель-генератора. Вот и простаивает резервный дизель-генератор большую часть календарного времени, а Киум считается на всю установленную мощность, поэтому у дизельных электростанций он чрезвычайно низок. Что касается ветростанций, то их Киум в Европе в среднем составляет 0,2-0,3. Но зависит он в основном от ветровых условий. Есть примеры ВЭС, где он равняется 0,4 и выше. ЕСЛИ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ РАВЕН 0,25, ЗНАЧИТ ЛИ ЭТО, ЧТО ВЕТРОУСТАНОВКА ВРАЩАЕТСЯ ЛИШЬ ЧЕТВЕРТУЮ ЧАСТЬ ГОДА?Нет, конечно. Ветроустановка большую часть времени работает с мощностью, меньшей номинальной. А время, когда она вращается, составляет 70-90% времени года. ЧТО ТАКОЕ КОЭФФИЦИЕНТ ГОТОВНОСТИ ВЕТРОУСТАНОВКИ?Коэффициент готовности или «готовность» отражает надежность ветроустановки и любой энергетической установки. Он отражает в процентах время, в течение которого ветроустановка готова вступить в работу за календарный отрезок времени. То есть исключается время, необходимое на обслуживание и ремонт. Для ветроустановок коэффициент готовности составляет 98% и выше. Это самый высокий коэффициент среди генерирующих источников. ЧТО ТАКОЕ «КЛАССЫ МЕСТНОСТИ» В ВЕТРОЭНЕРГЕТИКЕ?По величине энергии проходящей на один кв. метр ометаемой поверхности существует подразделение местности на семь классов. Фактически это подразделение местности по среднегодовой скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью. Названия классов и их характеристика приводятся в таблице 2. Таблица 2. Характеристика классов местности по ветроэнергетике  Эти данные являются ориентиром для выбора площадки сооружения ВЭС большой мощности. Для ВЭУмалых мощностей это не является решающим фактором. Ометаемая поверхность — это площадь, которую очерчивают лопости ветроустановки при вращении. Для горизонтально-осевых ВЭУ — это площадь круга с диаметром (Д), для вертикально-осевых ВЭУ — это площадь прямоугольника со сторонами Н — высота ветроко- леса, и Д — диаметр ветроколеса. ЧТО ТАКОЕ СРОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОКУПАЕМОСТИ?Срок энергетической окупаемости ветроустановки (или любой другой электростанции) — это термин, обозначающий за какое время ветроустановка (или электростанция другого типа) выработает количество энергии, равное количеству, затраченному на её производство, монтаж (строительство), обслуживание и утилизацию. По оценкам Британской и Американской ветроэнергетических ассоциаций этот срок для ВЭУ составляет от трёх до восьми месяцев (в зависимости от среднегодовой скорости ветра) — это один из самых коротких сроков всех видов электроустановок тогда как для угольных и атомных электростанций он составляет шесть и более месяцев. Другая оценка этого явления — «коэффициент энергетической эффективности» — это отношение энергии выработанной ветроустановкой (или любой электростанцией) за срок службы к энергии, затраченной на производство установки, строительство, обслуживание и утилизацию ветроустановки (или любой другой электростанции). По исследованиям университетов США, коэффициент энергетической эффективности ветростанций Среднего Запада Америки составил от 17 до 39 (в зависимости от среднегодовой скорости ветра. В то время как для атомных электростанций он оказался равным — 16, а для угольных — 11. Домашнее задание: - Что такая ветряная энергетика? - Ресурсы ветреной энергии; - Проблемы ветреной энергетики. Преподаватель: к.т.н., доцент, Собиров Юлдаш Бегжанович |