Расчет ветроустановки мощностью 4 кВт для пос. Иволгинск

Принципиальными недостатками ветроустановок с вертикальной осью являются следующие:

а) коэффициент  использования энергии ветра  примерно в три раза меньше, чем  у установок пропеллерного типа с горизонтальной осью. Наибольший коэффициент _max = 0,192;

б) большая  подверженность усталостным разрушениям  из-за часто возникающих в них  автоколебательных процессов;

в) пульсация  крутящего момента, приводящая к  нежелательным изменениям выходных параметров генератора.

Ветроагрегаты с горизонтальной осью более быстроходны, имеют меньшую относительную  массу, снабжены устройствами, автоматически  регулирующими развиваемую мощность, частоту вращения и ориентирующими ось вращения ветроколеса по направлению  вектора скорости потока.

Ветроэнергетические установки в основном выполняются  по горизонтально-осевой схеме, и в дальнейшем будем рассматривать только данный вид устройства. По своему назначению и комплектации оборудования ветроустановки бывают специализированные, универсальные и ветроэлектрические.

Специализированные  ветроустановки в свою очередь бывают водоподъемными, зарядными и др. Они пришли на смену ветроустановкам  универсального назначения, т.е. с механическим приводом различных рабочих машин. При создании как механических (водоподъемные  и т.п.), так и электрических  ветроэнергетических агрегатов  реализованы новые подходы и  принципы. Для повышения быстроходности ветроколес разработаны системы  автоматического регулирования  частоты вращения и ограничения  мощности.

4. КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОУСТАНОВОК

Ветроагрегат  с горизонтальной осью состоит из ветроколеса, головки, хвоста, башни  и регулировочного механизма. Принципиальная схема ветроагрегата приведена  на рисунке 1.

1 – редуктор; 2 – генератор; 3 – вертикальный  вал

Рис. 1–  Принципиальная схема ветроустановки универсального типа с горизонтальной осью вращения.

Ветроколесо преобразует энергию ветра в  механическую работу и может иметь  одну или несколько лопастей, устанавливаемых  под некоторым углом к плоскости  вращения. Крыло ветроколеса состоит  из лопасти и маха, закрепленного  на валу ветроколеса, как правило, перпендикулярно  к оси вала.

Головка представляет собой опору, на которой  монтируют вал ветроколеса и  передаточный механизм. Форма головки  зависит от системы передаточного  механизма, сама головка может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси  в опорах башни.

Хвост, закрепляемый позади головки, предназначен для установки  ветроколеса на ветер и работает подобно флюгеру.

Башня служит для поднятия ветроколеса на высоту, на которой мало сказывается влияние  препятствий, нарушающих прямолинейное  движение воздушного потока. Высоту башни  принимают в зависимости от диаметра ветроколеса и рельефа местности

Механизм  регулирования служит для ограничения  числа оборотов и крутящего момента  ветроколеса, а также для остановки  его при сильном ветре. Ветер  постоянно изменяет свое направление, поэтому головка ветроагрегата должна поворачиваться так, чтобы ветроколесо все время стояло против ветра, т.е. плоскость вращения была перпендикулярна направлению ветра. Известно несколько способов автоматической установки ветроколеса.

Установка ветроколеса на ветер хвостом  наиболее распространена для агрегатов  малой мощности. Существенным недостатком  является большая угловая скорость поворота головки относительно вертикальной оси.

Наименьшая  угловая скорость получается при  установки ветроколеса на ветер  виндрозами. Виндрозами называют многолопастные ветряные колеса, устанавливаемые позади головки. Плоскость их вращения перпендикулярна  плоскости вращения ветроколеса. Ветер  набегает на виндрозы под некоторым  углом и приводит их во вращение. От виндроз через специальные  шестеренки вращение передается головке, которая, поворачиваясь, устанавливает  ветроколесо на ветер. При этом виндрозы выходят из-под ветра и останавливаются.

Изменение скорости ветра приводит к изменению  мощности, развиваемой ветроагрегатом. Так, при увеличении скорости ветра  в три раза энергия потока возрастает в 27 раз и соответственно увеличивается  мощность.

Для предохранения  от перегрузок и ограничения в  заданных пределах частоты вращения ветроколеса применяют систему  автоматического регулирования. При  скорости ветра выше расчетной ограничивают частоту вращения генератора и мощность ветроустановки. Независимо от способа  основной принцип регулирования  сводится к изменению подъемной  силы на лопастях и момента аэродинамических сил на ветроколесе. Применяются  два основных способа регулирования: изменение положения в потоке всего ветроколеса (выводом из-под  ветра) – для тихоходных агрегатов  и поворот лопастей на соответствующие  углы атаки – для быстроходных. При этом используются силы: центробежные, аэродинамические или одновременно те и другие.

Для улучшения  пусковых характеристик агрегата лопасти  на период пуска и разгона автоматически  поворачиваются на оптимальные углы, а при росте скорости ветра  уменьшается угол атаки и соответственно подъемная сила.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И МОЩНОСТЬ ВЕТРОУСТАНОВКИ

 

Ветроустановки  в силу конструктивных особенностей не полностью используют потенциальную  энергию ветра. Часть энергии  теряется за счет инерции покоя ветроколеса, часть – за счет режима регулирования  и часть – за счет вывода ветроколеса  из-под ветра.

Утилизируемая энергия ветра зависит от трех основных параметров, называемых базовыми скоростями ветра. Первый параметр –  минимальная скорость ветра (vmin), при  которой ветроколесо начинает вращаться. Второй – расчетная скорость (vp), при которой ветроустановка выходит  на расчетный режим и развивает  номинальную мощность. Третий –  максимальная скорость ветра (vmax), скорость выше максимальной становится критической  для ветроустановки.

В диапазоне  скоростей от минимальной до рабочей  ветроустановка развивает тем большую  мощность, чем больше скорость ветра. При скорости ветра v v_p с помощью специального регулировочного устройства автоматически устанавливается постоянный режим вращения ветроколеса и вырабатываемой мощности. Если v v_max, ветровой напор на ветроустановку становится критическим и по условию механической прочности происходит ее отключение.

Мощность, вырабатываемая ветроустановкой, отличается от мощности, развиваемой ветроколесом, на величину потерь при преобразовании утилизируемой энергии ветра  в полезную:

, кВт                                                                    (5.1)

или с  единицы ометаемой площади ветроустановки:

, кВт/м²,                                                             (5.2)

где _п – коэффициент полезного действия ВЭУ, учитывающий потери при передаче мощности от вала ветроколеса до рабочей машины.

Для ветроэлектрической установки

_п= _р* _г ,

где _р, _г – КПД редуктора и генератора соотвественно.

Для наиболее совершенных конструкций двух- и  трехлопастных ВЭУ можно принять = 0,4, суммарный КПД _п= 0,8 и обозначить все постоянные составляющие коэффициентом = 2*10^-4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. МЕТОДИКА ВЫБОРА ВЕТРОУСТАНОВОК ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ

 

Для энергоснабжения  технологических процессов ветроэнергетические  установки выбираются по основным техническим  характеристикам: мощности; диаметру ветроколеса; минимальной и расчетной скорости ветра и по наличию преобразующих (выпрямитель, инвертор) и аккумулирующих устройств.

Расчетная мощность ветроагрегата определяется диаметром ветроколеса, коэффициентом  использования энергии ветра  и расчетной скоростью ветра:

, кВт/м²

Если  ветроагрегат работает без дублирующей  установки и имеет аккумулирующее устройство, то мощность агрегата должна быть не меньше, чем расчетная нагрузка потребителя, определяемая из графика  нагрузки. При этом может потребоваться  несколько ветроустановок. При наличии  дублирующего источника энергии  мощность ветроустановки не должна быть меньше той мощности, которая требуется  для обеспечения энергией основных потребителей или технологических  процессов. Дублирующая установка  по мощности должна обеспечивать питание  энергией всей нагрузки в дни безветрия. Ясно, что предлагаемые варианты возможны, когда ветроустановка экономически выгодна.

При использовании  ВЭС в составе энергосистемы  необходимо обеспечивать работу ветроустановки в режиме постоянной частоты вращения, определяемой частотой сети. Выбор  режима работы ветроколеса направлен  на получение наибольшей выработки  электрической энергии за определенный промежуток времени и соответственно наилучшего использования энергии  ветра. По данным ветроустановки можно  определить расчетную частоту вращения генератора, обеспечивающую максимальное значение коэффициента :

                                                                                               (6.1)

с удельной ометаемой площади ветроустановки при расчетной или более высокой  скорости ветра определяют по выражению

,                                                                                          (6.2)

где Т  – число часов в расчетный  период (месяц, сезон, год); t_*p – повторяемость скоростей ветра, равных и больших расчетной, в относительных единицах.

Зная  диаметр ветроколеса, несложно определить общее количество вырабатываемой энергии. При использовании нескольких однотипных ветроустановок ометаемую площадь  увеличивают на количество установок.

ВЭУ можно  эффективно применять для таких  технологических процессов, которые  не требуют постоянной частоты тока. При проектировании ВЭУ для этих целей решают следующие задачи:

1)определить  количество вырабатываемой ВЭУ  энергии в каждый отдельно  взятый месяц при заданных  ее параметрах;

2) определить  количество ВЭУ, необходимых для  удовлетворения потребности данного  технологического процесса;

3) по  энергоэкономическим показателям  выбрать оптимальное количество  ВЭУ.

Возможное количество вырабатываемой энергии  зависит от ресурса энергии ветра  и режима работы ВЭУ. Количество энергии  с удельной ометаемой площади  ВЭУ можно определить по выражению

, кВтч/м²                                           (6.3)

где t_v – время работы ВЭУ при различных скоростях ветра в течение суток, месяца, сезона или года.

Время работы ВЭУ зависит от режима скорости ветра  и определяется через повторяемость  той или иной скорости ветра в  течение месяца:

, ч,                                                                                             (6.4)

где Т_i – число часов в i-м месяце; - относительная повторяемость скорости ветра в рассматриваемом месяце.

При определении  количества вырабатываемой энергии  необходимо учитывать и энергию, получаемую при скорости ветра, меньшей  чем расчетная. Тогда согласно режиму работ ветроустановки количество энергии  за месяц с удельной ометаемой  площади установки

, МДж/м²                                           (6.5)

При заданном диаметре ветроколеса вырабатываемая энергия

, МДж

Вырабатываемая  энергия за сезон или год

, МДж                                                                              (6.6)

где n –  число месяцев работы ВЭУ.

По графику  нагрузки, когда известно необходимое  количество энергии, несложно определить потребное количество ВЭУ для  каждого месяца. При этом для рассматриваемого сезона или года определенную трудность  может составить выбор оптимального количества ВЭУ и потребуются  сравнительные расчеты, с оценкой  энергетических и экономических  показателей каждого рассматриваемого варианта.

 

 

 

 

7. РАСЧЕТ ВЕТРОУСТАНОВКИ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

 

Рассмотрим  расчет ветроустановки для горячего водоснабжения сельскохозяйственного  потребителя. Расчет ведется на примере  ветроустановки АВЭУ6-4М.