Для крильчастих роторів поверхня обмаху складає

,

а потужність вітроустановки складе (в кВт):

Діаметр ротора буде становити

Для інших значень температур та тиску вводять поправку в рівняння потужності:

де В_О – 760 мм рт.ст.;

В – поточне значення тиску.

Тоді діаметр ротора буде дорівнювати:

.

Швидкість вітру, при якій ротор повинен розвивати задану для розрахунку потужність, приймається за метеоданими місцевості та умов, що обумовлені в п.2.2.

Наступник кроком розрахунку є вибір профілю лопатей.

Профіль встановлюється під потрібний кут атаки a до результуючої швидкості с. Кут, що утворюється хордою профілю з віссю ротора складається a + b. Для кута атаки також наводяться коефіцієнти підйомної сили С_a (за полярами Лілієнталя, рис.2.4), що отримані експериментальним шляхом для кожного виду профілю.

v’ – швидкість вітру, що проходить через ротор; u₁ – відносна швидкість лопаті; с – результуюча швидкість лопаті; А – підйомна сила; S₁,S₂ – складові осьової сили; Т₁, – складова підйомної сили; Т₂ – складова сили опору; a – кут атаки; b – кут між направленням швидкості с та віссю обертання ротора.

Рис.2.3 Швидкості та сили на лопаті вітряного двигуна.

Послідовність визначення параметрів лопаті наступна:

1. Визначення “робочого” діаметру D’ вітроустановки:

,

де Р – потужність вітроустановки;

h_F – ККД лопатей (приблизно 0,9).

2. Визначення швидкості на кінцях лопатей:

– приймається (задається) швидкість вітру (v);

– визначається швидкість вітру, що протікає через ротор:

– приймається (задається) число модулів ротора:

u/v = z

– визначається кругова швидкість:

u = v× z

– визначається кут b (між вектором результуючої швидкості с та направленням осі):

– визначення результуючої швидкості

(для швидкохідних вітроустановок с» u).

3. Визначення дійсного діаметру D:

– відстань між лопатями:

де m – кількість лопатей;

– ширина повітряної полоси між лопатями:

b = a cosb

– діаметр:

– довжина кола pD;

– кутова швидкість:

Рис. 2.4 Поляри Лілієнталя для лопатей нескінченної довжини.

– число обертів:

– доцільна ширина лопаті

4. Визначення ширини та кута установки лопаті на 2/3 радіуса ротора:

– визначається довжина кола на 2/3 радіуса;

– визначається число модулів на 2/3 радіуса;

– для вибраного профілю за атласом (за полярами Лілієнталя) приймається доцільний кут атаки та визначається коефіцієнт підйомної сили (с_а);

– доцільна ширина лопаті на 2/3 радіуса становить:

– визначається кут b:

– кут установки лопаті складає b+a..

5. Визначення ширини та кута установки лопаті на зовнішнім кінці:

– визначається довжина кола, що описує зовнішній кінець;

– визначається число модулів;

– приймається кут атаки та визначається коефіцієнт підйомної сили;

– визначається доцільна ширина лопаті:

– визначається кут b:

– кут установки лопаті складає b+a..

6. Визначення ширини та кута установки лопаті на внутрішньому кінці лопаті (1/3 радіуса):

– визначається довжина кола на 1/3 радіуса;

– визначається число модулів;

– приймається кут атаки та визначається кут підйомної сили;

– визначається кут b та кут установки лопаті b+a..

7. Визначення коефіцієнта якості лопаті:

– для прийнятого профілю та кута атаки за полярами визначаються коефіцієнти підйомної сили с_a та опору с_w;

– визначається коефіцієнт (зворотній) якості:

2.4 Визначення навантажень на елементи систем регулювання вітроустановок.

а) регулювання хвостом, що складається.

Розрахунок проводиться з умов пружини. Рівняння балансу моментів складає:

Рхв

де r_x - перпендикуляр із точки повороту хвоста на направлення сили Р_пр.

Максимальне напруження в хвостовому стержні від сили Р_хв:

,

де W_зг – момент опору згинанню.

б) регулювання боковою лопатою.

Площа бокової лопати регулювання береться в межах (0,01…0,03) F,

де F – поверхня обмаху ротора.

в) регулювання хвостом, що не складається.

Ферма цього хвоста розраховується на згинання від бокової сили Р_хв, що визначається рівнянням:

,

де С_у = 1,0…1,2 – коефіцієнт підйомної сили;

f – площа хвоста (з виробничого досвіду приймається 3…6% від площі поверхні обмаху ротора).

Напруження від аеродинамічної сили Р_хв:

Напруження від конструкційних мас хвоста G:

г) регулювання при встановленні ротора на вітер віндрозами.

Гондола вітродвигуна повертається з кутовою швидкістю:

,

де - синхронне число модулів віндроз, що знаходиться за довідковими характеристиками;

i – передаточне число трансмісії від віндроз до шестерень на опорі (башті);

R₀ – радіус віндроз;

w₀ – кутова швидкість віндроз;

v – швидкість вітру.

Напруження маху лопаті віндрози:

,

де I – момент інерції маху;

W – момент опору маху згинанню в перерізі біля маточини;

D – діаметр віндроз;

n – кількість обертів ротора віндроз.

2.5 Опори вітроустановок.

Перешкоди, що розташовані навколо вітроустановки, порушують лінійність вітрового потоку і створюють його завихрення. За допомогою опори ротор виноситься на таку висоту, де вплив цих вихорів дещо знижується. Крім того, з висотою зростає величина відбору потужності від вітрового потоку, яку можна оцінити за виразом:

де N₀ – потужність на висоті H₀;

N – потужність на висоті H.

Так, наприклад, якщо висоту опори збільшити в 2 рази, то потужність зросте в 1,5 рази.

Мінімальна висота опори повинна становити:

H = h + c + R,

де h – висота перешкоди біля вітроустановки;

c – відстань від верхівки перешкоди до нижньої точки кола обмаху ротора (приймається 1,5…2м);

R – радіус ротора.

Якщо опора прийнята ферменної конструкції, то відстань між ногами при її основі складає:

– для опор нижче 10м 30% її висоти;

– для опор більше 10м – 22…25% її висоти.

Відстань між вітроустановками з однаковими за висотою опорами та діаметром роторів, приймається 15 кратній величині діаметра.

В залежності від матеріалу та конструкції башти поділяють на:

– стальні – ферменні, трубчасті;

– бетонні – кільцевого перетину або монолітні.

При невеликих статичних і динамічних навантаженнях (вітроустановки малої потужності – до 20 кВт) застосовують опори з розтяжками.

При відносно невеликій вартості стальних ферменних опор, вони вимагають застосування підвищених заходів безпеки при експлуатації та ремонті (наявність відкритої драбини). Трубчасті мають підвищені естетичні та ергодинамічні параметри (сходи або ліфт розташовується в середині опори), але вони дорогі.

Опори вітроустановок не повинні генерувати інфразвукові коливання (негативний вплив на біооб’єкти) та вібрацію. Залізобетонні опори добре гасять вібрацію, але вимагають розташування ротора в робочому стані в навітровому положенні. При підвітровому положенні розташування ротора, вібрація та інфразвук можуть виникнути і при використанні стальних опор.

Вітрове навантаження на опору вітроустановки визначається за рівнянням:

,

де v_бур – швидкість вітру під час бурі (для районів із середньою швидкістю вітру до 5,5м/с – v_бур = 40м/с);

R_x – коефіцієнт лобового тиску приймається за таблицею 2.2;

Н – висота натурної опори, м;

Н_мод – висота моделі опори, м.

Таблиця 2.2 – Значення коефіцієнту лобового тиску

№ п/п	Назва моделі	Коефіцієнт лобового тиску Rx	Відстань точки прикладання рівнодіючої від основи (х/Н),%
	Чотиринога ферменна	0,00085	42,8
	Циліндрична суцільна	0,00105	-
	Конічна суцільна	0,0013	41,2
	Тригранна суцільна (розташована ребром до вітру)	0,0017	32,1
	Тригранна суцільна (розташована гранню до вітру)	0,0029	28,5
	Чотиригранна суцільна (розташована ребром або гранню до вітру)	0,0024	29,8
	Циліндрична ферменна	0,0014	49,4

Для циліндричної суцільної опори

, кг

де b - поправочний коефіцієнт, що знаходиться за графіком (рис.2,5).

Рис. 2.5 Залежність коефіцієнта b від відношення висоти опори до її діаметра

Крім того, необхідно враховувати постійність коливань циліндричної опори (труби) у вітровому потоці незалежно від його швидкості. Пояснюється це явище утворенням вихорів Бенера–Кармана в сліді за тілом циліндричної форми. При цьому дані коливання розглядають як автоколивання, при яких частота та амплітуда задаються самою системою, що коливається. Вітровий резонанс виникає при умові, що частота відривання вихорів задовольняє умові:

де Sh – критерій Струхаля;

n – частота;

D₀ – діаметр опори;

v – швидкість вітру.

Ріст амплітуди коливань проходить до значення швидкості вітру 18 м/с, що відповідає кризі обтікання циліндра та різкому падінню лобового тиску. Поперечні коливання практично припиняються. За результатами досліджень моделей жорстких опор циліндричної форми, при відношенні висоти опори до її діаметру в межах 3…10, незалежно від жорсткості опори вітровий резонанс спостерігався при Sh» 0,2. Амплітуда коливань верхньої точки опори, що має пружну основу, в 3…4 рази менша ніж у опори з жорсткою основою. Тому рекомендується улаштування амортизаторів в закладній частині опор вітроустановок, що понижує не тільки вібрацію, але й величину амплітуди коливань при вітровому резонансі.

Не мале значення в сумарному впливі за навантаженням на опору здійснює лобовий тиск на ротор. При регулюванні виведенням ротора із під вітру, вітрове навантаження на багатолопатевий ротор складає:

; ;

де – коефіцієнти навантаження (наведені в таблиці 2.3)

Таблиця 2.3 – Значення коефіцієнтів навантажень

Характер роботи	Коефіц. навантаж	Кут повороту g ротора
	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Робота вхолосту		0,625	0,610	0,575	0,510	0,374	0,250	0,150	0,078	0,060	–
	0,000	0,075	0,130	0,180	0,220	0,225	0,220	0,180	0,150	0,14
З розрахунковим навантаженням		0,780	0,760	0,730	0,625	0,475	0,350	0,275	0,180	0,100	–
	0,000	0,050	0,100	0,150	0,200	0,180	0,240	0,260	–	–

F – площа обмаху ротора;

v – швидкість вітру, що приймається в залежності від кута g ( за кривими рис.2.7).

Рис. 2.6 Лобовий тиск при різних положеннях ротора.

І – при V_n=8м/с; ІІ – при V_n=10м/с; ІІІ – при V_n=12м/с; ІV – при V_n=14м/с.

(V_n – швидкість вітру, при якій ротор повинен починати виходити з під вітру)

Рис.2.7 Криві зміни кутів в залежності від швидкості вітру, при якій N та w - const.

При визначенні лобового тиску на ротор для швидкохідних вітроустановок користуються залежністю:

,

де С_у – коефіцієнт підйомної силу лопаті;

S – площа лопаті;

– умовний радіус лопаті,

де R – радіус кола, що описується верхнім кінцем лопаті;

r₀ – радіус кола, що описується нижнім кінцем лопаті.

w – кутова швидкість;

v – середня швидкість вітру в заданий період часу;

і – кількість лопатей;

– коефіцієнт перевантаження,

де v_п – швидкість вітру при пориві.

Вітрове навантаження на опору вітроустановки, робота якої стабілізується за допомогою хвоста визначається в такій послідовності:

- лобовий тиск на ротор:

де С_х – аеродинамічний коефіцієнт лопаті при куті атаки, що відповідає С_у=0 (при зміні відношення товщини до хорди в межах 0,1…0,4, С_х зростає від 0,013 до 0,028);

v_бур – швидкість вітру під час бурі;

F – площа міделевого перерізу ротора (площа проекції тіла на площину перпендикулярну до направлення повітряного потоку).

- тиск вітру на ферму опори:

– момент від гіроскопічних сил для багатолопатевих та трилопатевих вітроустановок:

де І₀ – момент інерції ротора;

w – кутова швидкість;

w₁ =w₀ /i – кутова швидкість повороту ротора навколо башти:

де w₀ = vz₀ / R

і – передаточне число трансмісії від ротора до шестерні на опорі;

z₀ – число синхронних модулів.

Вібраційні характеристики та характеристики на міцність опори в цілому визначаються також і якістю виготовлення фундаменту. Глибина його закладення вибирається неменше глибини промерзання ґрунтів (в Україні вона складає не більше 1,1м). Фундаменти повинні задовольняти таким основним вимогам:

– мати достатню міцність до статичних та динамічних навантажень;

– не давати осіданню (щоб не викликати перекіс споруди, необхідно центр всієї маси вітроенергетичної установки та фундаменту розміщувати на одній вертикалі).

Допустиме навантаження для слабких ґрунтів (глина та суглинок в пластичному стані, супісь середньої щільності та пилуватий пісок, що просочений водою, а також ґрунти з шарами торфу або мулу) складає до 1,5 кг/см². Для тих же ґрунтів середньої щільності допускається питоме навантаження від 1,5 до 3,5 кг/см², а для міцних ґрунтів – від 3,5 до 6 кг/см².

Навантаження, що згинає опору, від лобового тиску вітру та саму опору і ротор, дають момент біля основи, що визначається як:

,

де Р_л, Р_б – зусилля, що прикладені, відповідно, до ротора та башти вітроустановки;

Н_л,Н_б – відстань точок прикладення зусиль від основи фундаменту.

Стискаюча сила (маса ротора, опори – G, фундаменту – G_ф) при вітрі за діагоналлю опори розподіляє зусилля за ногами:

,

де 1,4 В – відстань між фундаментами ніг за діагоналлю.

– на передню ногу:

– на задню ногу:

Приймаючи площу підошви фундаменту F, визначається питомий тиск на ґрунт:

.

2.6 Схеми генерування електричної енергії вітроустановками.

Вітроелектроустановки виробляють енергію як постійного, так і змінного струму для автономних або мережних систем і будуються за наступними схемами:

– ротор – генератор постійного струму – споживач постійного струму та/або акумуляторна батарея;

– ротор – генератор постійного або змінного струму – нагрівач та тепловий акумулятор;

– ротор – генератор змінного струму – випрямляч – інвертор – споживач змінного струму сталої частоти;

– ротор – генератор змінного струму (синхронний або асинхронний) –мережа навантаження.

Генерування постійного струму здійснюється на установках до 10 кВт. Електричні машини постійного струму мають колектор і щітковий контакт, що обмежує їх широку експлуатацію. Вони мають великий початковий момент опору і це ускладнює їх застосування в агрегатах з швидкохідними роторами (наприклад, в агрегаті потужністю 1,5 кВт цей момент досягає 0,8 кг×м, внаслідок чого агрегат з трилопатевим ротором діаметром 4м починає працювати тільки при швидкості вітру біля 6м/с).

Для генерування змінного струму застосовують асинхронні та синхронні машини.

Асинхронний генератор має ряд переваг, що полягають в простоті конструкції, високої надійності в експлуатації, нескладних схемах під’єднання на паралельну роботу з мережею та іншими джерелами електроенергії. Крім того, як генератор може застосовуватись асинхронний двигун. Асинхронний генератор є механічно міцною машиною, за якою потрібен мінімальний догляд. При короткому замиканні ударний струм швидко затухає, що не викликає перегрівання та руйнування обмоток. При перевантаженні генератор швидко втрачає збудження (і навіть розмагнічується), що також запобігає виходу його з ладу.

Принципова електрична схема подана на рис.2.8.

D – приводний двигун (ротор вітроустановки); G – асинхронний генератор;

C – батарея конденсаторів; QF – роз’єднувач; P – навантаження.

Рис. 2.8 Схема під’єднання асинхронного генератора.

Робота асинхронного генератора як автономного джерела живлення можлива тільки при умові подачі в обмотку статора реактивної потужності від батареї конденсаторів, що під’єднані до кожної фази. При активному навантаженні реактивна потужність, що надходить від конденсаторів, повинна дорівнювати реактивній потужності генератора (за величиною необхідної для створення магнітного потоку). При активно-індуктивному навантаженні, реактивна потужність від конденсаторів повинна покривати також реактивну потужність навантаження. Така величина ємності конденсаторів значно здорожує вартість вітроустановки, що є недоліком.

Величину ємності конденсаторів за трьома фазами можна визначити за виразом (при вмиканні трикутником):

, мкФ

де Q – реактивна потужність конденсатора (кВАр).

Для запобігання коливань напруги при зміні характеру навантаження (активне, індуктивне), слід передбачати комутацію частини конденсаторів.

Ще одною перевагою асинхронного генератора є те, що напруга на його виході має сталу частоту при зміні частоти обертів ротора в деяких межах, і це надає йому більшу стійкість при роботі на мережу, ніж при застосуванні синхронних машин.

До недоліків відносять менший рівень вироблення енергії ніж синхронними машинами. Це пов’язано з меншим коефіцієнтом потужності, що обумовлено більшими струмами намагнічування (вони пропорційні квадрату напруги).

Іншими системами є застосування асинхронної машини з фазним ротором як асинхронного або синхронного генератора з метою найдоцільнішої реалізації позитивних характеристик обох типів. При дономінальних та номінальній швидкості вітру машина працює як синхронний генератор із збудженням постійним струмом, що підводиться через контактні кільця до обмоток ротора. При поривчастих вітрах, машина переходить в режим асинхронного генератора з коротко замкненим ротором з використанням його допустимого діапазону ковзання. Перехід від синхронного до асинхронного режиму проходить із незначним перевантаженням за струмом. При зворотному переході необхідно забезпечити такий режим, щоб викиди моменту та струму не були більшими 0,5...0,8% номінального.

Синхронні генератори з самозбудженням від випрямлячів мають мінімальну кількість контактів. Вони мають також задовільну стійкість роботи в широкому діапазоні швидкості обертання. При роботі синхронного генератора з мережею, у випадках зниження швидкості вітру, він переходить в двигунний режим (і споживає енергію з мережі) або випадає із синхронізму, що є суттєвим недоліком даної системи.

Синхронні генератори із збудженням від постійних магнітів застосовують, як правило, в автономних вітроелектроустановках. До їх переваг відносять простоту конструкції, надійність, відсутність контактів ковзання та обертання обмоток, непотрібність витрат енергії на збудження. Недоліком даних генераторів є складність регулювання та стабілізації напруги, обмежена гранична потужність із-за порівняно невеликої питомої енергії постійних магнітів. За конструкцією синхронні генератори з постійними магнітами виконуються з обертовими магнітами та нерухомими обмотками.

При конструюванні автономних вітроелектроустановок, що під’єднуються безпосередньо або з акумулюючими пристроями на навантаження, слід враховувати умови допустимої втрати напруги при пуску електрообладнання споживача. Тому потужність генератора буде складати:

,

де N_в – потужність двигуна електроспоживача;

k₀ – коефіцієнт, що дорівнює 0,35 для привода з постійним і 0,9 – для привода з вентиляторним моментом.

2.7 Приклади розрахунків.

1. Визначення параметрів ротора вітроенергетичної установки.

Дано: потужність вітроустановки Р_н = 3 кВт; середньорічна швидкість вітру v_с.р. = 4,2 м/с; температура навколишнього середовища t⁰_c = (–15…+25)⁰С; тиск В = 720…760 мм рт. ст.

1. Розрахунок номінальної швидкості вітру:

– для швидкохідних роторів:

v_н=1,5 v_с.р.= 6,3 м/с;

– для тихохідних роторів:

v_н=1,25 v_с.р.= 5,3 м/с.

2. Діаметр ротора вітроенергетичної установки:

– для швидкохідних роторів:

м (» 9 м);

– для тихохідних роторів:

м (» 12 м);

3. Зміна потужності при зміні температури та тиску:

t= -15⁰C B=720 мм рт.ст. кВт (D=9,4м)

B=760 мм рт.ст. кВт (D=9,7м)

t= 25⁰C B=720 мм рт.ст. кВт (D=11,3м)

B=760 мм рт.ст. кВт (D=11,6м)

2. Розрахунок параметрів лопаті вітроенергетичної установки.

Дано: потужність вітроустановки Р_н = 3 кВт; модуль (швидкохідність) тихохідної установки Z_т = 0,9; модуль (швидкохідність) швидкохідної установки Z_ш = 5,5; кількість лопатей тихохідної установки п_т = 18; кількість лопатей швидкохідної установки п_ш = 3, середньорічна швидкість вітру v_с.р. = 4,2 м/с.

1. Визначення “робочого” діаметра ротора:

– площа обмаху ротора:

а) тихохідного

,

так як внутрішня частина ротора приблизно на 1/3 радіуса не використовується, то “робоча” площа складе:

;

Тоді “робочий” діаметр буде становити 12,4 м.

б) швидкохідного

D’=9,6 м.

2. Визначення швидкості на кінцях лопатей:

	тихохідний	швидкохідний
– швидкість вітру, що протікає через ротор v’=2 vн /3, м/с – кругова швидкість u = vн z м/с – кут між вектором результуючої швидкості та направленням вісі (b) – результуюча швидкість , м/с	3,5   4,725     53028’	4,2   34,65     8305’

3. Визначення дійсного діаметру:

	тихохідний	швидкохідний
– відстань між лопатями , м – ширина повітряної полоси між лопатями b= a× cosb, м – дійсний діаметр D = D’+0,44b,м – довжина кола pD, м – кутова швидкість w = 2u/D, 1/с – число обертів , об/хв.	2,16× 0,5943=1,28   12,4 + 0,44×1,28=12,96   40,69     2× 4,725/40,69=0,23   0,23× 60/6,28=2, 2	10,05× 0,11=1,11   9,6 + 0,44× 1,11=10,09 31,68     2× 34,65/31,68=2,19   2,19× 60/6,28=20,9

4. Визначення ширини та кута установки лопаті на 2/3 радіуса ротора

	тихохідний	швидкохідний
– довжина кола на 2/3 радіуса, м – число модулів на 2/3 радіуса – кут атаки a (приймаємо за полярами Лілієнталя) – коефіцієнт підйомної сили са (за полярами Лілієнталя) – доцільна ширина крила ,м – – кут установки лопаті b+a	(2/3)× 40,69=27,13   (2/3)× 0,9=0,6 30     0,8       450	(2/3)× 31,68=21,12     (2/3)× 5,5=3,7 1030’     0,7       810 17¢

5. Визначення ширини та кута установки лопаті на зовнішнім кінці:

	тихохідний	швидкохідний
– довжина кола, що описує зовнішній кінець, м – число модулів – кут атаки a (приймаємо) – коефіцієнт підйомної сили Са – доцільна ширина крила – кут установки лопаті b+a	40,69 0,9   20   0,7     arctg(1,5×0,9)=53028’   55028¢	31,68 5,5   1,50 0,7     arctg(1,5×5,5)=8305’   84035¢

6. Визначення ширини та кута установки лопаті на внутрішньому кінці лопаті (1/3 радіуса):

	тихохідний	швидкохідний
– довжина кола на 1/3 радіуса, м – число модулів на 1/3 радіуса – кут атаки a (приймаємо) – коефіцієнт підйомної сили Са – доцільна ширина крила – – кут установки лопаті b+a	(1/3)× 40,69=13,56   (1/3)× 0,9 = 0,3   60   1,0   30012¢	(1/3)× 34,3=11,43   (1/3)× 5,5 = 1,8   1,50   0,9   71020¢

7. Визначення зворотних коефіцієнтів якості лопаті на 2/3 радіуса:

	тихохідний	швидкохідний
– кут атаки a – коефіцієнт підйомної сили Са – коефіцієнт опору Сw – зворотний коефіцієнт якості крила e= Сw/ Са	30 0,8 0,022 0,028	1030¢ 0,7 0,01 0,014

8. Визначення зворотних коефіцієнтів якості на зовнішній частині лопаті:

	тихохідний	швидкохідний
– кут атаки a – коефіцієнт підйомної сили Са – коефіцієнт опору Сw – зворотний коефіцієнт якості крила e= Сw/ Са	20 0,7 0,019 0,027	1030¢ 0,7 0,01 0,014

9. Визначення зворотних коефіцієнтів якості на внутрішній частині лопаті:

	тихохідний	швидкохідний
– кут атаки a – коефіцієнт підйомної сили Са – коефіцієнт опору Сw – зворотний коефіцієнт якості крила e= Сw/ Са	60 1,0 0,039 0,039	1030¢ 0,7 0,01 0,014

2. Розрахунок опор вітроенергетичних установок.

Дано: Висота перешкоди перед вітроустановкою 7м, відстань від верхівки перешкоди до нижньої точки кола обмаху ротора 2м, радіус ротора тихохідної установки 6м, швидкохідної 4,5м (площа лопаті 5,7м², кутова швидкість 2,2 с^-1), маса опори 1300кг

1. Мінімальна висота опори:

	тихохідний	швидкохідний
H = h + c + R, м	7+2+6=15	7+2+4,5=13,5

2. Вітрове навантаження на опору:

	тихохідний	швидкохідний
– тип опори – навантаження при Нмод=0,486м; v=40 м/с; Rх=0,00085 b=1,01	ферменна, 4-нога   Р = 6770RхН2 =1294,76	циліндрична   Р = 7.1bН2=1306,9

3. Лобовий тиск на ротор:

– для тихохідного (ІІ крива g=45⁰):

– для швидкохідного:

с_у=1,12 (b/g)=20 – відношення хорди лопаті до висоти);

= =3,12м;

4. Момент біля основи опори:

М = Р_л Н + Р_б Н_б;

для тихохідного – М=656,5×15 +1300×(15×0,428+1,1) = 19597,5 кг×м;

для швидкохідного – М= 534,2×13,5 +1300×7= 16311,7 кг×м.

5. Стискаюча сила:

– для 4-ногої опори:

кг;

Стискаюча сила на задню ногу:

P₂=0,25G+G_ф +P_м

Питомий тиск р=Р₂/ b² – для середніх ґрунтів 2кг/см²(20×10³кг/м²).

Маса фундаменту під одну ногу: G_ф=b² h g (b² – площа; h– глибиназакладки >1,1м; g – густина матеріалу фундаменту – бетон» 2×10³кг/м³)

Масавітроустановки (опора 1300 кг, ротор, хвіст, гондола - в сумі 141R²)

– для циліндричної башти (при діаметрі опори 0,4м):

3. Визначення потужності генератора вітроенергетичної установки.

Дано: Споживач – віддалений сільськогосподарський об’єкт (корівник на 200 голів). Навантаження: вакуум-насос – 10 кВт; холодильне обладнання – 8 кВт; водонагрівач – 12 кВт; прибирання гною – 11 кВт; освітлення – 8 кВт. Розпорядок дня – 1 зміна, двох разове доїння.

№ п/п

Процеси

Години доби

Доїння

Холодильне обладнання

Водонагрівач

Прибирання гною

Освітлення: - основне - чергове

1.Навантажувальна діаграма:

,t,год

Р,кВт

Аналіз характеру навантаження потягом доби:

1 – з 1 до 5 години: активне навантаження (освітлення, нагрівач) – 13 кВт;

активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;

сумарне (одночасне): 21 кВт.

2 – з 5 до 7 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;

активно-індуктивне (холодильник, доїльне обладнання) – 18 кВт;

сумарне (одночасне): 26 кВт.

3 – з 7 до 8 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;

активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;

сумарне (одночасне): 16 кВт.

4 – з 8 до 10 години – технологічна пауза;

5 – з 10 до 12 години: активно-індуктивне (прибирання гною) – 11 кВт;

6 – з 12 до 14 години – технологічна пауза;

7 – з 14 до 16 години – активне навантаження (освітлення, нагрівач) – 12 кВт;

8 – з 16 до 18 години: активно(нагрівання) – 13 кВт;

9 – з 18 до 20 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;

активно-індуктивне (холодильник, доїльне обладнання) – 18 кВт;

сумарне (одночасне): 26 кВт.

10 – з 20 до 21 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;

активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;

сумарне (одночасне): 16 кВт.

11 – з 21 до 1 години: активне навантаження (освітлення) – 1 кВт;

активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;

сумарне (одночасне): 9 кВт.

Вимоги генератора за потужністю у визначені періоди доби:

де к = 1 – активне навантаження;

к = 0,9 – привод з вентиляторним моментом;

к = 0,35 – привод з постійним моментом.

Потужність генератора вдані періоди доби:

1. Р_г1 =1,36 ×13= 17,7»18 кВА

Р_г2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА

S Р_г =18+12= 30 кВА

2. Р_г1 =1,36 ×8= 11 кВА

Р_г2 =1,36 ×18/0,9= 27,2 кВА

S Р_г = 38 кВА

3. Р_г1 =1,36 ×8= 11 кВА

Р_г2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА

S Р_г =23 кВА

5. Р_г =1,36 ×11/0,35= 43 кВА

7. Р_г =1,36 ×12= 16,3 кВА

8. Р_г =1,36 ×13= 18 кВА

9. Р_г1 =1,36 ×8= 11 кВА

Р_г2 =1,36 ×18/0,9= 27,2 кВА

S Р_г =38 кВА

10. Р_г1 =1,36 ×8= 11 кВА

Р_г2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА

S Р_г =23 кВА

11. Р_г1 =1,36 ×1= 1,4 кВА

Р_г2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА

S Р_г =14 кВА

Максимальне значення 43 кВА. За каталогом приймаємо 45 кВА.

Контрольні питання до глави 2.

1. З яких складових частин здійснюється компоновка вітромеханічних установок?

2. З яких складових частин здійснюється компоновка вітроелектричних установок?

3. Як визначається режим виробітку енергії вітроенергоустановкою?

4. Як визначається зміна швидкості вітру за висотою?

5. Від яких чинників залежить потужність вітроенергоустановок?

6. Як впливає зміна температури та тиску на величину потужності вітроенергоустановок?

7. Як визначаються навантаження на елементи систем регулювання при регулюванні хвостом?

8. Як визначаються навантаження на елементи систем регулювання при регулюванні віндрозами?

9. Як визначається мінімальна висота опори вітроенергоустановки?

10. Які види опор застосовують для вітроенергоустановок?

11. При якій умові може виникнути вітровий резонанс опори?

12. За якими схемами генерування електроенергії будуються вітроенергоустановки?

13. До якої потужності рекомендується проектувати установки постійного струму?

14. В чому полягають переваги асинхронного генератора вітроенергоустановки порівняно з іншими типами генераторів?

15. Як визначити ємність конденсаторів для асинхронного генератора, що працює в автономному режимі?

16. Які синхронні генератори за видом збудження використовують у вітроенергетиці?

17. За яким виразом обчислюють потужність генератора вітроенергоустановки з урахуванням втрат напруги при пуску електрообладнання споживачів?

3 КОНСТРУЮВАННЯ СОНЯЧНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК.

Сонячна енергетична установка – це енергетична установка, що перетворює енергію сонячної радіації в інші види енергії (наприклад, в теплову або в електричну).

Сонце кожну секунду випромінює 88 ^. 10²⁴ кал теплоти, що еквівалентно 1,25 ^. 10¹⁶ т у.п. або 1,02 ^. 10²⁰ кВт×год. На Землю надходить тільки частина цієї енергії - біля 10¹⁸ кВт×год. (123 ^. 10¹² т у.п.) за рік, що майже в 10000 разів більше світового споживання енергії і приблизно в 100 разів більше енергії всіх розвіданих горючих копалин на Землі.

Густина сонячного потоку в космосі приблизно дорівнює 1,35 кВт/м².

Максимальна інтенсивність сонячного випромінювання на поверхні Землі складає близько 1 кВт/м², однак тривалість його становить всього 1-2 години в літні дні. Середня інтенсивність сонячного випромінювання в більшості районів земної кулі становить 200 ¸ 250 Вт/м². Безпосередньо на поверхню Землі надходить біля 50% від загальної кількості сонячного випромінювання, що проходить через верхні шари атмосфери, 23% з якої становить розсіяна сонячна радіація і 27% – пряма сонячна радіація.

При створенні та впровадженні сонячного енергетичного обладнання використовуються дані про кількість сумарної сонячної радіації і її складових, періодичність та змінність режимів її надходження.

Переваги енергії сонячної радіації порівняно з традиційними видами палива полягають в наступному:

– джерело енергії практично невичерпне;

– можливість використання енергії сонячної радіації на більшості ділянок поверхні Землі як місцевого енергетичного джерела;

– можливість безпосереднього перетворення енергії сонячної радіації в електричну;

– можливість отримання високих температур (> 500⁰С);

– прискорювати дію у фотохімічних процесах.

Освоєння сонячної енергії здійснюються за трьома основними напрямками:

1. Тепловому – уловлюється радіаційне випромінення сонячним колектором – об’ємна конструкція, через яку циркулює теплоносій, а її зовнішня сторона (обернена до джерела випромінення) має чорну поглинаючу поверхню.

Рис. 3.1 Теплова система нагрівання води

2. Теплодинамічному – концентрується енергія сонячної радіації на котлі, пара з якого надходить на турбіну з електрогенератором.

Рис.3.2 Сонячна теплодинамічна електростанція

3. Фотоелектричному – уловлюється електромагнітне випромінення (оптичного діапазону) Сонця та перетворюється в електроенергію постійного струму. Конструкція сучасних генераторів, що виконані на напівпровідниковій основі, мають коефіцієнт перетворення біля 17%.

Рис.3.3 Фотоелектричні панелі

3.1 Загальні підходи до побудови теплових сонячних енергетичних установок.

Системи, що перетворюють енергію сонячної радіації в теплову, умовно поділяють на дві групи:

– “пасивні” – приймачем служать самі об’єкти, що нагріваються. Використання енергії Сонця проводиться за рахунок планіровочного та архітектурно-будівельного розташування споруд;

– “активні” – енергія уловлюється, накопичується та транспортується в спеціальних пристроях. Основним елементом є геліоприймач. Як теплоносій, може виступати газ (повітря), або рідина (вода, розчин солей). В залежності від виду теплоносія будується подальша конструкція теплової сонячної енергоустановки. Для низькопотенційних установок найбільш розповсюдженим типом геліоприймача є плоский. Він побудований як ящик, в середині якого розташований колектор, конструктивно виконаний у вигляді трубопроводу різної конфігурації з гофрованою або чарунчастою поверхнею. Колектор має покриття з великою поглинаючою спроможністю. Стінки ящика обкладені тепловою ізоляцією. Один з боків має прозоре покриття, яке може бути одно–, дво– чи тришарове.

1 – прозоре покриття; 2 – плита або трубка; 3 – корпус.

Рис. 3.4 Види плоских сонячних колекторів.

За призначенням теплові сонячні енергоустановки застосовують, в основному, для гарячого водозабезпечення та кондиціювання як для індивідуальних споживачів, так і для групових, або будують централізовані системи.

Для надійності енергопостачання до сонячних енергоустановок додають акумулюючі пристрої з короткочасною або довгостроковою акумуляцією. Крім того, вони можуть мати дублюючий (резервний) нагрівач (наприклад, електронагрівач, що живиться від центральної мережі).

За характером руху теплоносія системи можуть бути з вільним або вимушеним режимом теплообміну, а за числом контурів теплообміну: одно–, дво– або багатоконтурними.

Таким чином, сонячні енергоустановки входять в фізичну систему узгодження енергопотоку надходження енергії сонячної радіації та потреб споживача, що діє протягом певного нормативного часу. В даній системі вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та енергія від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта в теплоті.

Припустимо, що існує і -та кількість (скінчена) об’єктів виробництва, що підлягає енергозабезпеченню від енергії сонячної радіації протягом періоду з j -тої кількості днів. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами, що побудовані за блочним принципом і містять первинні перетворювачі (сонячні нагрівачі), систему накопичення (теплові акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насоси для циркуляції теплоносія, електронагрівач). Тоді рівняння відносно використання енергії сонячної радіації буде становити:

при і=1,…,n, (3.1)

де - вектори, компоненти яких є

значеннями теплових потреб і-того об’єкта

в j-тий день експлуатації;

- вектори, компонентами яких є значення

енергії від утилізаторів сонячної радіації на

і-тому об’єкті в j-тий день експлуатації;

а – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації сонячної радіації.

Для окремої точки векторного простору співвідношення (3.1) буде складати:

де і=1,…n – номер об’єкта;

j=1,…m – номер дня експлуатації;

- потік енергії від утилізатора сонячної радіації;

де – питома величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню, що приймає значення в діапазоні [ 0, ];

де – середньостатистичне значення надходження енергії сонячної радіації в j - тий день експлуатації;

– площа сонячних колекторів в j-тий день

експлуатації.

– ефективність сонячних колекторів

В таблиці 3.1 подані можливі варіанти сонячних енергоустановок, що охоплюють вищевказані ознаки.

Розглянемо методичні підходи для визначення конструктивних параметрів сонячних енергоустановок для кожного з наведених варіантів. Зазначимо, що в рівняннях х₁ – надходження сумарної енергії сонячної радіації, х₂ – енергія резервного (традиційного) джерела, у₁ – потреби споживача в тепловій енергії.

Тоді для першого варіанту сонячної енергоустановки, що складається із сонячних нагрівачів та акумулятора, рівняння буде становити:

Таблиця 3.1 – Варіанти структурних схем енергозабезпечення об’єктів від енергії сонячної радіації