2. Расчет параметров вэс

2.1. Расчет параметров ветроэлектроустановки

2.1.1.Расчет мощностной характеристики ветротурбины

Исходными данными для расчета являются:

Р_{ВЭУ НОМ} – номинальная установленная мощность ВЭУ, кВт;

V_min ,(V_НАЧ ) , м/с – минимальная (начальная ) скорость ветра, при которой включается электрогенератор ВЭУ и начинается выработка электроэнергии – (по заданию 2,5; 3,0);

V_P ,( V_НОМ) , м/с – расчетная рабочая скорость ветра, при которой электрогенератор ВЭУ вырабатывает номинальную мощность – (по заданию 5,5; 6,0; 6,5; 7,0; 7,5).

V_МАКС. ,м/с – максимально допустимая скорость ветра, при которой производится выработка электроэнергии – 25 м/с ;

V_ПРЕД. , м/с – максимально допустимая скорость ветра по механической прочности ветроустановки – 45 м/с.

Тип электрогенератора (ЭГ) в составе ВЭУ и его параметры.

Общая характеристика ВЭУ.

ВЭУ представляет энергоагрегат, содержащий ветротурбину (ВТ), преобразующую энергию ветрового потока в механическую энергию вращения вала ВТ и электрогенератор (ЭГ), преобразующий механическую энергию ВТ в электрическую энергию.

В большинстве случаев частота вращения вала ВТ и вала ЭГ не совпадают, т.к. ВТ является тихоходной турбиной с частой вращения в пределах от 15 до 80 об/мин., а ЭГ, как правило, имеют значительно большую частоту вращения, в пределах от 750 до 3000 об/мин. По этой причине между валами ВТ и ЭГ включается повышающий редуктор (мультипликатор) с передаточным отношением i.

Кинематическая схема ВЭУ приведена на рис.2.1.

Рисунок 2.1. Кинематическая схема ВЭУ

ВТ – ветротурбина, Р_ВТ – выходная мощность ВТ, α – угол поворота лопастей ВТ к направлению скорости ветра, ЭГ – электрогенератор, Р_ВЭУ – выходная электрическая выходная мощность ВЭУ, U_Л – номинальное линейное напряжение ЭГ, Ω_ВТ – частота вращения вала ВТ, р/с; М_ВТ – момент на валу ВТ, Нм; Ω_ЭГ – частота вращения вала ЭГ, р/с; М_ЭГ – момент на валу электрогенератора, Нм; η_А – аэродинамический КПД ВТ; η_РЕД – КПД редуктора; η_ЭГ - КПД электрогенератора.

Мощность одной одиночно стоящей ВЭУ определяется характеристикой

(2.1)

Зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра приведена на рис.2.2. Характеристика (2.1) состоит из двух участков. Первый участок переменной мощности ВЭУ, пропорцио-нальной третьей степени скорости ветра, от V_НАЧ до V_НОМ , при постоянном оптималь-ном угле поворота лопастей ВТ – α к направлению скорости ветра. Второй участок – постоянной мощности ВЭУ при скорости ветра от V_НОМ до V_МАКС. . Постоянство мощности ВЭУ при росте скорости ветра достигается за счет автоматического регули-рования угла поворота лопастей α к направлению скорости ветра.

Рисунок 2.2. Зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра в относительных единицах

Р_ВЭУ / Р_{ВЭУ НОМ} = f(V).

Расчет мощностной характеристики ВЭУ на первом участке состоит в определении характеристики (2.1) по заданным значениям скоростей ветра V_НАЧ и V_НОМ и мощности Р_{ВЭУ НОМ}.

Эффективная выходная удельная мощности ΔР на 1 м² ометаемой поверхности ВТ вычисляется по формуле:

, кВт/м² (2.2),

где ΔР_ВП – удельная мощность ветрового потока при скорости ветра V_НОМ

, кВт/м² (2.3),

ρ – плотность воздуха, принимается 1,226 кг/м³;

С_Р – средний коэффициент использования энергии ветра, принимается 0,31;

η – суммарный КПД ВЭУ, равный

η = η_А * η_РЕД * η_ЭГ (2.4)

η_А – аэродинамический КПД ВТ, принимается в пределах 0,91 …0,916;

η_РЕД – КПД редуктора, принимается в пределах 0,95…0,97.;

η_ЭГ - КПД электрогенератора, зависящий от мощности ЭГ.

Характерная зависимость η_ЭГ от коэффициента нагрузки генератора β = Р_Эл /Р_{НОМ ЭЛ} приведена на рис.2.3.

Рисунок 2.3. Характерная зависимость η_ЭГ от коэффициента нагрузки генератора

β = Р_Эл /Р_{НОМ ЭЛ} .; η_{ЭГ НОМ} – номинальное значение КПД ЭГ

При расчете величины ΔР на 1 м² ометаемой поверхности ВТ суммарный КПД ВЭУ – η принимается равным 0,8. После расчета величины ΔР определяем S₀ – площадь ометаемой поверхности ВТ, D – диаметр ротора и L – длину лопасти ВТ

, м² (2.5); , м (2.6); , м (2.7)

Для расчета числа оборотов ротора ВТ в минуту – n , принимаем расчетный коэффициент быстроходности ротора ВТ Z . Для ВЭУ мощностью 1,0…1,5 МВт величина Z лежит в пределах (5,8…8,0). Принимаем значение Z и определяем число оборотов ротора в минуту

, об/мин (2.8)

Величина n используется для выбора передаточного отношения i редуктора в зависимости от числа оборотов вала ЭГ.

(2.9)