16

Міністерство аграрної політики україни таврійський державний агротехнологічний університет

Факультет ІКТ

Кафедра ОПХВ

Розрахунок основних параметрів вітроенергоустановок

методичні вказівки

до практичної роботи з дисципліни "Нетрадиційні джерела енергії"

факультет ІКТ

для студентів денної форми навчання

напряму підготовки 6.050503 "Машинобудування"

Мелітополь

2009

Розробили: канд. техн. наук, Жарков В.Я.

ст. викл. Самойчук К.О.

Рецензент: канд. техн. наук, доцент

_________________________

Розглянуто і затверджено на засіданні кафедри ОПХВ

«__» «__________» 2009 р., протокол №

Рекомендовано методичною комісією факультету ІКТ ОПХВ

«__» «__________» 2009 р., протокол №

Практичне заняття

Тема: Розрахунок основних параметрів вітроенергоустановок

Мета: Засвоєння студентами методики розрахунку основних параметрів вітроенергетичних установок.

Час: 2 год.

1.1 Порядок виконання роботи

- представити викладачу виконане завдання для самопідготовки. Умову завдання наведено у п. 1.2;

- проробити практичну частину;

1) Визначити максимальну потужність вітроколеса (ВК).

2) Розрахувати оптимальну швидкохідність для n-лопатевого вітроколеса.

З) Визначити оптимальну частоту обертання вітроколеса

4) Для заданої швидкості вітру розрахувати основні параметри вітроенергоустановки (ВЕУ) різної потужності: діаметр ВК, оптимальну швидкохідність, частоту обертання і лінійну швидкість кінців лопатей.

5) Для ВЕУ потужністю Р визначити швидкість вітру, при якій кінці лопатей досягнуть швидкості звуку (330 м/с).

6) Заслуховування і обговорення студентських рефератів з розробки конструкцій і використання ВЕУ в АПК.

- виконати домашнє завдання.

1.2 Завдання для самопідготовки

У процесі підготовки до заняття студент в обов’язковому порядку повинен виконати наступні завдання:

а) вивчити конспект лекцій;

б) опрацювати рекомендовану літературу;

в) занести у зошит для практичних робіт такі матеріали:

1) Що таке частота обертання і період обертання валу? Який зв’язок між цими параметрами?

2) Як визначити швидкість точки на диску, що обертається, якщо відома частота обертання і радіус?

3) Як залежить швидкість вітру від відстані над поверхнею землі?

1.3 Практична частина

1.3.1 Теоретичні відомості

Вітроенергетика з її сучасним технічним оснащенням є напрямом енергетики, що сповна склався. Вітроенергетичні установки потужністю від декількох кіловат до мегават виробляються в Європі, США і інших частинах світу. Велика частина цих установок використовується для виробництва електроенергії, як в єдиній енергосистемі, так і в автономних режимах.

Відомо, що вітроколесо (ВК) розвиває максимальну потужність Р, Вт, визначувану за формулою

(1)

Для пропелерної ВЕУ з діаметром вітроколеса D потужність буде дорівнювати

, (2)

де - коефіцієнт потужності, максимальне значення 16/27 0,59

- густина повітря кг/м³ ( 1,2 кг/м³);

- швидкість вітру, м/с;

А - площа вітроколеса, м².

Практично в швидкохідних добре спроектованих ВЕУ досягає 0,4.

З виразу видно, що потужність Р пропорційна ометаємої площі А і кубу швидкості. Коефіцієнт потужності залежить від конструкції вітроколеса і швидкості вітру. Оскільки швидкість вітру непостійна, а потужність дуже сильно залежить від швидкості, то вибір оптимальної конструкції вітроколеса багато в чому визначається вимогами споживача енергії. Зазвичай середньорічна потужність, що знімається з одиниці площі вітроколеса, пропорційна щільності повітря і кубу середньої швидкості. Максимальна проектна потужність вітроенергетичної установки (ВЕУ) визначається для деякої стандартної швидкості вітру. Зазвичай ця швидкість рівна приблизно 12 м/с, що при цьому з 1 м² ометаємої площі знімається потужність — порядка 300 Вт при значенні від 0,3 до 0,45. У районах із сприятливими вітровими умовами середньорічне виробництво електроенергії складає 22 – 30% його максимального проектного значення. Термін служби вітрогенераторів зазвичай не менше 15 – 20 років, а їх вартість вагається від 1000 до 1500 дол. США за 1 кВт проектної потужності.

Одна з основних умов при проектуванні вітрових установок — забезпечення їх захисту від руйнування дуже сильними випадковими поривами вітру. Вітрові навантаження пропорційні квадрату швидкості вітру, а раз в 50 років бувають вітри з швидкістю, що перевищує в 5 – 10 разів середню, тому установки доводиться проектувати з дуже великим запасом міцності. Крім того, швидкість вітру дуже вагається в часі, що може привести до втомних руйнувань, а для лопатей до того ж істотні змінні гравітаційні навантаження (порядка 10⁷ циклів за 20 років експлуатації).

Причиною виникнення вітрів є поглинання земною атмосферою сонячного випромінювання, що приводить до розширення повітря і появи конвективних течій. У глобальному масштабі на ці термічні явища накладається ефект обертання Землі, що приводить до появи переважаючих напрямів вітру. Окрім цих загальних, або синоптичних, закономірностей багато що в цих процесах визначається місцевими особливостями, обумовленими певними географічними або екологічними чинниками. Швидкість вітрів збільшується з висотою, а їх горизонтальна складова значно більше вертикальної. Остання обставина є основною причиною виникнення різких поривів вітру і деяких інших дрібномасштабних ефектів. Сумарна кінетична енергія вітрів оцінюється величиною порядку 0,7·10²¹ Дж. Унаслідок тертя, в основному в атмосфері, а також при контакті із земною і водною поверхнями ця енергія безперервно розсіюється, при цьому розсіювана потужність — порядку 1,2 ּ10¹⁵ Вт, що дорівнює приблизно 1% поглиненої енергії сонячного випромінювання.

Для аналізу вітроенергетичного потенціалу місцевості складається вітроенергетичний кадастр, який є районованою системою чисельних характеристик режиму вітру. Вітроенергетичний кадастр – це сукупність об'єктивно достовірних і необхідних кількісних відомостей, що характеризують вітер як джерело енергії. У кадастрі всі характеристики зазвичай представлені в табличній або графічній формі, використовуючи матеріали багатолітніх спостережень.

Достовірно оцінити, яка доля енергії вітру може бути використана в енергетиці, навряд чи можливо, оскільки ця оцінка дуже сильно залежить від рівня розвитку вітроенергетики і її споживачів. Проте, офіційні оцінки можливої долі вітроенергетики в енергетиці в цілому, наприклад, у Великобританії і Західній Німеччині, що не передбачають яких-небудь серйозних змін в інфраструктурі енергоспоживання, що склалася, складають не менше 20%. При певних змінах інфраструктури доля вітроенергетики може бути істотно більшою. Автономні вітрові енергоустановки вельми перспективні для витіснення дизельних електростанцій і опалювальних установок, що працюють на нафтопродуктах, особливо у віддалених районах і на островах. Вітроенергетичні установки класифікуються по двох основних ознаках – геометрії вітроколеса і його положенні відносно напряму вітру. Класифікація вітроелектрогенераторів на основі перерахованих вище ознак, звичайно, не вичерпує всього різноманіття можливих конструкцій вітроустановок. Особливо це стосується найбільш перспективних установок, що використовують спеціальні пристрої для збільшення швидкості набігаючого вітрового потоку.

Вітроколесо з горизонтальною віссю

Розглянемо горизонтально- осьові вітроколеса пропелерного типу (рисунок 1). Основною силою, що обертає, в колесі цього типу є підіймальна сила.

а) чащечний ротор (анемометр), б) ротор Савоніуса, в) ротор Дар'є, г) ротор Масгрува, д) ротор Еванса.

Рисунок 1 – Типи роторів ВЕУ

Відносно вітру вітроколесо в робочому положенні може розташовуватися перед опорною баштою або за нею. При передньому розташуванні вітроколесо повинне мати аеродинамічний стабілізатор або який-небудь інший пристрій, що утримує його в робочому положенні. При задньому розташуванні башта частково затінює вітроколесо і турбулізує потік, що набігає на нього. При роботі колеса в таких умовах виникають циклічні навантаження, підвищений шум і флуктуації вихідних параметрів вітроустановки. Напрям вітру може змінюватися досить швидко, і вітроколесо повинне чітко відстежувати ці зміни. Тому у ВЕУ потужністю більше 50 кВт для цієї мети використовуються електричні серводвигуни.

У вітроелектрогенераторах зазвичай використовуються двух- і трилопатеві вітроколеса, останні відрізняються плавним ходом. Електрогенератор і редуктор, що сполучає його з вітроколесом, розташовані, зазвичай, нагорі опорної башти в поворотній голівці. В принципі їх зручніше розміщувати внизу, але складнощі, що виникають при цьому, з передачею обертового моменту знецінюють переваги такого розміщення. Багатолопатеві колеса, що розвивають великий обертовий момент при слабкому вітрі, використовуються для перекачування води і інших цілей, що не вимагають високої частоти обертання вітрового колеса.

Вітроелектрогенератори з вертикальною віссю

Вітроелектрогенератори з вертикальною віссю обертання унаслідок своєї геометрії при будь-якому напрямі вітру знаходяться в робочому положенні. Крім того, така схема дозволяє за рахунок лише подовження валу встановити редуктор з генераторами внизу башти. Принциповими недоліками таких установок є:

– набагато більша схильність їх втомним руйнуванням із-за автоколивальних процесів, що частіше виникають в них,

– пульсація моменту, що крутить, що наводить до небажаних пульсацій вихідних параметрів генератора.

Через це переважна більшість вітроелектрогенераторів виконана по горизонтально - осьовій схемі, проте дослідження різних типів вертикально - осьових установок продовжуються.

Найбільш поширені типи вертикально-осьових установок такі.

1) Чашковий ротор (анемометр). Вітроколесо цього типа обертається силоміць опору. Форма чашоподібної лопаті забезпечує практично лінійну залежність частоти обертання колеса від швидкості вітру.

2) Ротор Савоніуса. Це колесо також обертається силою опору. Його лопаті виконані з тонких зігнутих листів прямокутної форми, тобто відрізняються простотою і дешевизною. Обертовий момент створюється завдяки різному опору повітряному потоку, що надається увігнутою і вигнутою відносно його лопатями ротора. Із-за великого геометричного заповнення це вітроколесо володіє великим обертовим моментом і використовується для перекачування води.

3) Ротор Дар’є. Обертовий момент створюється підіймальною силою, що виникає на двох або трьох тонких зігнутих несучих поверхнях і мають аеродинамічний профіль. Підіймальна сила максимальна в той момент, коли лопать з великою швидкістю пересікає набігаючий повітряний потік. Ротор Дар’є використовується у вітроелектрогенераторах. Розкручуватися самостійно ротор, як правило, не може, тому для його запуску зазвичай використовується генератор, що працює в режимі двигуна.

4) Ротор Масгрува. Лопаті цього вітроколеса в робочому стані розташовані вертикально, але мають можливість обертатися або складатися довкола горизонтальної осі при відключенні. Існують різні варіанти роторів Масгрува, але всі вони відключаються при сильному вітрі.

5) Ротор Еванса. Лопаті цього ротора в аварійній ситуації і при управлінні обертаються довкола вертикальної осі.

Концентратори

Потужність вітроенергоустановки залежить від ефективності використання енергії повітряного потоку. Одним із способів її підвищення є використання спеціальних концентраторів (підсилювачів) повітряного потоку. Для горизонтально-осьових вітроелектрогенераторів розроблені або запропоновані різні варіанти таких концентраторів. Це можуть бути дифузори або конфузори (дефлектори), що направляють на вітроколесо повітряний потік з площі, більшої ометаємої площі ротора, і деякі інші пристрої. Широкого поширення в промислових установках концентратори доки не отримали.

 У більшості прикладних завдань вітроенергетики набагато важливіше знати не сумарну кількість енергії, яка може виробити вітроустановка, наприклад, за рік, а ту потужність, яку вона може забезпечувати постійно. При сильному вітрі, від 10 до 12 м/с, вітроустановки  виробляють досить електроенергії, яку інколи навіть доводиться скидати в систему або запасати. Труднощі виникають в періоди тривалого затишшя або слабкого вітру. Тому для вітроенергетики є законом рахувати райони з середньою швидкістю вітру менше 5 м/с малопридатними для розміщення вітроустановок, а із швидкістю 8 м/с – дуже хорошими. Але незалежно від цього у всіх випадках потрібний ретельний вибір параметрів вітроустановок стосовно місцевих метеоумов. 

Ефективність роботи ВК залежить від коефіцієнта швидкохідності Z, тобто відношення швидкості , кінців лопатей ВК до швидкості вітру

, (3)

де - радіус вітроколеса (ВК), м;

- кутова швидкість ВК, рад/с.

Оптимальна швидкохідність для n-лопатевого ВК наближено визначається як

, (4)

де - кількість лопатей ВК.

Чим менше лопатей, тим більше швидкість.

Наприклад, для двохлопатевого вітроколеса ,

для 4-х лопатевого ВК - максимальний при ,

для 3-х лопатевого ВК - максимальний при .

Найбільш економічні ВЕУ мають по 2 лопаті, але з метою зниження динамічних навантажень виготовляють швидкохідні ВЕУ з 3 лопатями. Багатолопатеві ВК (тихохідні) містять до 20 лопатей.

Для підтримки оптимальної швидкохідності ( - оптимальний) ВЕУ виготовляють на певний діапазон швидкостей вітру ( розрахункову і максимальну).

Звичайно проектувальник вибирає одну з двох взаємно несумісних задач:

1) максимальна кількість виробляємої електроенергії;

2) робота ВЕУ при мінімальній швидкості вітру .