введение. введение в спец2. Ветроэнергетические установки
 Скачать 62.84 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования РФ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет) Институт открытого и дистанционного образования Кафедра техники, технологии и строительства Практическая работа 2 по дисциплине «Введение в направление» тема: «Ветроэнергетические установки» ЮУрГУ – 13.03.02.2021.01 ПЗ
Челябинск 2021 1. Что включает в себя понятие – «Ветроэнергетическая установка»? Ветроэнергетическая установка технич. устройств, предназначенных для преобразования кинетич. энергии ветра в др. виды энергии (напр., электрическую, механическую). В. у. состоит из ветроагрегата (ветродвигателя с редукторами, механизмами управления и стабилизации), устройств, запасающих энергию (напр., аккумуляторов, водонапорных баков, газовых баллонов), резервных источников тока (дизель-генераторов, солнечных электрич. батарей, солнечных нагревателей и др.), а также систем автоматич. управления и регулирования режимов работы установки. Различают В. у. спец. назначения (насосные или водоподъёмные, опреснительные, зарядные, электролизные, мельничные и др.) и комплексного применения (ветросиловые и ветроэлектрические). В. у., работающие в автоматич. режиме, применяются для снабжения электроэнергией радиопередающего метеооборудования и резервных систем энергообеспечения на воен.-стратегич. объектах. Автономные В. у. буйкового типа используются для работы в океане. В. у. классифицируют также в зависимости от ориентации оси вращения ветродвигателя: с ветродвигателями, имеющими горизонтальную (крыльчатые) и вертикальную (карусельные и ортогональные) оси вращения. Прообразом В. у. с горизонтальной осью вращения является ветряная мельница. Такие В. у. большой мощности требуют предварит. раскрутки ветроколеса при запуске. Осн. недостаток В. у. с горизонтальной осью вращения – низкочастотные вибрации лопастей и опорной башни, передающиеся на грунт и влияющие на ареал расселения птиц, насекомых и биологич. среду грунта. В. у. с вертикальной осью вращения менее эффективны, но конструктивно более просты, т. к. работа ветродвигателя не зависит от направления движения ветра и не требует дополнит. устройств для фиксации его против ветра. Мощность серийных В. у. составляет от 10 Вт до нескольких МВт. 2. Что называют кинетической энергией ветра? Энергия ветра — это кинетическая энергия движущегося воздуха. Ветер, обладающий энергией, появляется из-за неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей поверхности земли и вращения Земли. Скорость ветра определяет количество кинетической энергии, которая может быть преобразована в механическую энергию или электроэнергию. Механическая энергия может использоваться, например, для помола зерна и перекачивания воды. Механическая энергия может также использоваться для работы турбин, которые производят электричество. Данная работа сосредоточена именно на ветровой электроэнергии, а не на других неэлектрических формах энергии ветра. 3. Как определяется мощность ветрового двигателя? Мощность ветрового двигателя, как и любого другого, определяется произведением угловой скорости ω на его момент М: P = Mxω. Можно сделать вывод, что с уменьшением количества лопастей момент М тоже снизится, однако возрастет количество оборотов ω. Именно поэтому, мощность Р = Mxω останется почти постоянной и будет слабо зависеть от количества лопастей ветряка. 4. Что называют коэффициентом мощности ветрового колеса? Очень важным параметром в проектировании ВЭУ является коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), дающий представление об эффективности работы ВЭУ. Это отношение средней выработки генерирующего устройства к максимально возможной. Большинство современных ВЭУ работают с коэффициентом использования установленной мощности от 25 до 35%. Электростанции, работающие на не возобновляемых источниках энергии, имеют коэффициент использования установленной мощности от 40 до 80%. Лучшие ветроустановки в хороших ветровых условиях работают с коэффициентом 0,5. На КИУМ влияет кроме среднегодовой скорости ветра также и время, которое затрачивается на техническое обслуживание и ремонт ветроустановки. 5. Как работает поверхность при действии на нее силы ветра? Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности. Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:  М  асса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V, равна:Подставив в выражение кинетической энергии, получим:  откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например, у ветродвигателей карусельного типа. Мощность T определяется произведением силы P на скорость V:  Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а, следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения. Д  опустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 6.3.3); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверхность F, т. е.:г  де Px – сила сопротивления, которая равна:где Cx – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; F – поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока. В  этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной:Подставив значение Px из уравнения в уравнение, получим:  Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью и выраженной уравнением, к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:  П  осле преобразований получим:Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра. Из уравнения мы видим, что ξ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент ξ получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V. У  становлено, чтобы получить максимальное ξ, поверхность должна перемещаться со скоростью:Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ = 0,192. 6. Как определяется коэффициент использования ветрового потока? Метод коэффициента использования светового потока применяется для расчета общего освещения горизонтальной рабочей поверхности с учетом света, отраженного стенами и потолком, и дает возможность определить световой поток ламп, необходимый для создания заданной (чаще всего нормированной) освещенности. Основное уравнение метода:  где F – световой поток лампы, лм; EН – минимальная нормируемая освещенность (определяется по СниП 23-05-95(2003) «Естественное и искусственное освещение»); S – площадь помещения, м2; К – коэффициент запаса, учитывающий снижение освещенности вследствие старения ламп, запыления и загрязнения светильников (К=1,2…1,5); Z – отношение средней освещенности к минимальной (для люминесцентных ламп принимается Z = 1,1); N – число светильников, шт.; n – число ламп в светильнике; h – коэффициент использования светового потока (в процентах %), т.е. отношение потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп. Коэффициент использования светового потока определяется в зависимости от величины индекса помещения i, коэффициентов отражения потолка и стен rП и rС, (см. таблицу 2.2). Индекс помещения i определяется по выражению:  (2.2)где hп – расчетная высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, м; a и b – основные размеры (длина и ширина) помещения, м. 7. Чем отличаются осевые и вертикальные ВЭУ? Преимущества и недостатки Существует две группы ВЭУ, отличающиеся друг от друга положением оси вращения рабочего колеса: Горизонтальные. Внешне напоминают пропеллер. Вертикальные. Лопасти таких устройств вращаются вокруг вертикальной оси. Имеется большое число конструкций вертикальных ветряков. Принципиальным отличием этих двух типов конструкции является необходимость ориентирования горизонтальных устройств по направлению ветра и нетребовательность к этому вертикальных ветряков. Кроме того, для горизонтальных устройств обязательно наличие высокой мачты, так как расположение на высоте обеспечивает более интенсивное воздействие потоков ветра на ротор. Вертикальные конструкции в подъеме над уровнем земли нуждаются в меньшей степени. При этом, эффективность горизонтальных ветряков в целом выше, чем у вертикальных устройств. Это происходит потому, что лопасти вертикальных роторов испытывают как полезное воздействие на рабочие части, так и противодействующие нагрузки на обратные стороны. Снижение уравновешивающего воздействия потока на обратные стороны лопастей является основной задачей конструкторов, пытающихся разработать наиболее удачную форму рабочего колеса. Существуют опытные образцы, обеспечивающие высокую эффективность использования потока, но широкого производства таких устройств пока не наблюдается. Горизонтальные ветрогенераторы Установки с горизонтальной осью вращения имеют практически одну конструкцию. Они представляют собой горизонтальную ось с хвостом и ротором на противоположных концах. Ось имеет возможность свободного вращения вокруг вертикальной оси, необходимое для установки ротора по направлению ветра. Это происходит автоматически, при помощи хвоста. Ротор представляет собой род пропеллера, вращающегося при воздействии ветрового потока на лопасти. Принципиального различия между разными моделями горизонтальных ветряков нет. Они отличаются типом лопастей: жестколопастные, парусные. Первые сделаны из прочного материала, вторые представляют собой жесткую рамку, обтянутую плотной тканью или подобным материалом. Кроме того, имеются образцы с различной формой лопасти: в виде прямой лопатки; в виде архимедова винта. Имеются парусные модели, созданные для получения максимального эффекта от воздействия ветрового потока. Они не имеют вращающихся частей, поверхность паруса создает давление на поршневую систему, взаимодействующую с генератором. Ротор горизонтальной конструкции нуждается в установке на высокую мачту. Это увеличивает эффективность получения ветровой энергии, но осложняет процесс монтажа и обслуживания устройства. Мачта должна быть надежно закреплена и усилена растяжками, чтобы имелась возможность выдерживать ураганные порывы ветра. Высота мачты выбирается таким образом, чтобы ветряк возвышался над всеми ближайшими зданиями и сооружениями. При этом, место установки также выбирается на возвышении, что позволяет снизить высоту мачты и облегчает монтаж. Вертикальные ветряки Ветрогенераторы вертикальных конструкций имеют меньшую эффективность использования потока ветра, но с точки зрения эксплуатации они намного предпочтительнее. Их преимущества: нет нужды ориентировать ротор по направлению ветра; устанавливать устройство на высокую мачту необязательно, так как большой разницы в эффективности нет; устройства имеют более простую конструкцию, что удобнее при самостоятельном изготовлении. Изначально вертикальные конструкции имели две лопасти, имеющие форму желоба, расположенные диаметрально вдоль оси вращения. Впоследствии появились другие варианты, имеющие большее количество лопастей или иную форму. На сегодня различных конструкций известно довольно много. Вот некоторые из них: ротор Савониуса, ротор Дарье, ротор Третьякова, ортогональный, геликоидный. Работы по созданию новых типов конструкции ведутся непрерывно, поэтому привести полный перечень имеющихся конструкций невозможно. |