Энергия воздушного потока и мощность ВЭУ

Кинетическая энергия Э _кин (Дж) воздушного потока со средней ско-ростью (м /с), проходящего через поперечное сечение F (м ²),перпен-дикулярное v, и массой воздуха т (кг) рассчитывается по формуле

(3.1)

Масса воздуха определяется по формуле

т = p F,

где р – плотность воздуха, кг/м ^3.

Обычно в расчетах принимают р = 1,226 кг/м³, соответству­ющую следующим нормальным климатическим условиям: t = 15^о С,

р = 760 мм. рт. ст. или 101,3 кПа. Если в (3.1) в качестве т взять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т.е.

.

Для F= 1 м² получаем значение удельной мощности ветрового потока со скоростью :

N _yд = 0,5 p ³ (3.2)

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон ско­ростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9 – балльному ветру (шторм) по 12 – балльной шкале Бофорта. Для указанного рабочего диапазона скоростей ветра в таблице 3.2 приведены значения N _yд:

Таблица 3.2

, м/с
N yд , Вт/м2	4,9	16,55	39,2	76,6

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую про-исходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать:

• по мощности – малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт),

крупные (от 100 до 1 000 кВт), сверхкрупные (более 1 000 кВт);

• по числу лопастей рабочего колеса – одно –, двух –, трех – и многолопастные;

• по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока – с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 3.2, а ) или пер-пендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 3.2, б ).

В настоящее время в мире и России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1,гондола с редуктором 2и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Башня – чаще трубообразная, реже – решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующие энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асин-хронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

Рис. 3.2. Виды ветроэнергетических установок:

а– ВЭУ с горизонтальной осью вращения;

б – ВЭУ с вертикальной осью вращения;

1 – рабочее колесо;

2 – гондола с двигателем и редуктором;

3 – башня;

4 – фундамент установки

Для каждой ветроэнергетической установки можно выделить следую-щие три характерных значения рабочей скорости ветра:

1) v_p ^min, при которой 0 ≤ v ≤ v ^min и мощность ВЭУ равна нулю;

2) v _p^N, при которой v_p^min ≤ v ≤ v_p^N мощность ВЭУ меняется в зави-симости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

3) v _p^max, при которой v > v_p^max и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скорости ветра.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от v_p^min до v _p^N полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра на высоте башни H _б(м) и диаметра ротора ВЭУ D₁ (м) рассчитывается по формуле

(3.3)

где N _yд (Вт/м²) определяется по формуле (3.2); F _BЭУ (м²) – ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, определяемая по фор-муле ; η _р – КПД ротора (около 0,9); η _г – КПД электро-генератора (около 0,95); ζ – коэффициент мощности, обычно принима-емый равным 0,45 в практических расчетах, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от воздушного потока.

После подстановки всех указанных значений в (3.3) получаем

для ориентировочных расчетов .

Для малых ВЭУ v_p^min находится обычно в пределах 2,5 – 4 м/с, a

v_p^N – от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4 – 5 и 12 – 15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ составляет 60 м/с.

Чем выше расчетная скорость ветра, тем выше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве нее применяется среднегодовая скорость ветра , ко-торая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом). Для нее характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает v_p^min (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из – за малой скорости ветра), или превышает v_p^max (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю, и их использование может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов. Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра выше, чем летом; в полдень выше, чем утром).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза ветров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких десятков или даже сотен ВЭУ в данной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветро-энергетические ресурсы. Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80 000, 6 218 и 31 ТВт/ч. На сегодняшний день использование указанных ресурсов ветра в России практически неощутимо. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 или 6 м/с, то исполь-зование ВЭУ весьма перспективно.

Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от сотен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составляет 30 % и более в разных странах. На 01.01.2002 г. общая установленная мощность в мире соста-вила 24 927 МВт при годовом приросте мощности 6 824 МВт (27, 37 %).