6. Расчет энергетических характеристик.

Важнейшей энергетической характеристикой ВЭУ является количество вырабатываемой за год электроэнергии. Наряду с развиваемой ВЭУ мощностью эта величина зависит от повторяемости ветра.

Повторяемость ветра – характеристика ветра, которая показывает продолжительность действия различных значений скорости ветра в часах или процентах за год в конкретной местности, на определенной высоте относительно земной поверхности [3]. Эта характеристика получается на основании статистической обработки метеонаблюдений за длительный промежуток времени. Повторяемость ветра выражает вероятную продолжительность действия различных значений скорости ветра за год.

Вырабатываемая за год электроэнергия (Q) выражается соотношением:

,

где: N(V) – выходная мощность ВЭУ как функция скорости ветра;

V_min, V_max – соответственно минимальная и максимальная скорости ветра

в рабочем диапазоне;

T(V) – повторяемость ветра, размерность .

Повторяемость ветра обладает следующим очевидным свойством:

,

8760 часов = 24·365 – количество часов в году.

Средняя скорость ветра (V_cp) через повторяемость ветра выражается:

.

Расчет энергетических характеристик выполняется для следующей зависимости повторяемости ветра:

200 + 266.67 V, при 0  V  3 м/сек

1000, при 3 м/сек  V < 6 м/сек

1900 – 150 V, при 6 м/сек  V < 12 м/сек

192,4 – 7,7 V, при 12 м/сек  V  25 м/сек.

В разделе «Расчет энергетических характеристик» курсовой работы необходимо:

• убедиться, что зависимость T(V) является повторяемостью ветра, т.е. ;

• определить среднюю скорость ветра;

• рассчитать количество вырабатываемой ВЭУ энергии за год Q;

• определить среднюю за год мощность ВЭУ .

Содержание этой главы необходимо проиллюстрировать графиками повторяемости ветра T(V) и выработки электроэнергии Q(V).

7. Динамические режимы работы вэу.

7.1. Динамические режимы ВЭУ, в отличие от статических или установившихся режимов, характеризуются изменениями таких основных параметров, как угловая скорость вращения ветроагрегата () и угол поворота лопасти (). С этой точки зрения режим запуска и режим торможения ВЭУ являются динамическими режимами. Что касается рабочего режима, то он может рассматриваться как статический при постоянной скорости ветра (например, для расчета выработки энергии) или динамический при исследовании механических или электрических процессов при переменном характере скорости ветра.

7.2. Движение ветроагрегата на динамических режимах описывается уравнением динамики:

где М_в – вращающий момент ветроагрегата, который создается аэродинамическими силами ветроколеса и электромеханическими силами генератора;

М_с – характеризует силы трения и электромеханические силы, возникающие в генераторе при вращении ротора, и приведенные к оси вращения ветроагрегата.

7.3. Аэродинамический момент ветроколеса:

,

,

m(z,) – коэффициент аэродинамического момента, приведенный на рис. 5.1.

Момент генератора (в режиме генерирования и в двигательном режиме) приведен на рис. 7.1.

7.4. Момент инерции (I) при выполнении курсовой работы можно определить по следующему соотношению:

,

или по графику рис. 7.2, которые получены путем обработки значений момента инерции по ряду ВЭУ; величина радиуса ВК – в м.

7.5. Режим запуска ВЭУ из остановленного состояния базируется на использовании одного из двух видов энергии: энергии ветра или электрической энергии, а также на одновременное использование этих источников. При этом могут быть использованы:

• автономный запуск;

• принудительный запуск;

• комбинированный запуск;

• последовательный запуск.

Первая фаза запуска из остановленного состояния характеризуется следующими значениями угловой скорости и углового ускорения:

,

.

J , [кгм^А2]

1000000

100000

10000

1000

100

10000000

R,[m]

Эта фаза характеризуется нарастанием вращающего момента до величины М_трог., при котором преодолевается сопротивление трения покоя и ветроколесо начинает вращательное движение .

Э

М_с

М_трог

М_тр

Фаза движения

ти фазы начального этапа запуска приведены на рис. 7.3 с учетом того, что момент трения покоя больше момента трения вращения.

Фаза покоя

Трение покоя

Трение

вращения

М_в

Рис. 7.3.

На первой фазе запуска ( ):

М_с = 0,007М_ном;

При вращении ветроколеса ( ):

М_с = 0,005М_ном.

7.6. Двигательный режим разгона в курсовой работе рассчитывается при скорости ветра (V):

V = V_p,

где V_p – расчетная скорость ветра.

Для этого метода разгона ветроагрегата уравнение вращения вокруг собственной оси:

,

где М_дв – момент генератора в двигательном режиме.

Номинальное значение момента (М_ном) для определения момента сопротивления в этом дифференциальном уравнении берется из соотношения:

,

где N_ном – номинальная мощность ВЭУ;

_ном – номинальная угловая скорость ветроколеса, определенная в процессе расчета статических характеристик.

Угол установки лопасти () выбирается таким образом, чтобы аэродинамический момент ветроколеса М_вк был положительным (М_вк > 0) на протяжении всего режима разгона. В частности, угол разгона  может выбираться из условия максимальности коэффициента момента m(z) при данном z.

Расчет выполняется в диапазоне : [0, _ном].

7.7. Интегрирование уравнения изменения угловой скорости проводится методом Эйлера:

,

где t – шаг интегрирования.

7.8. Автономный запуск ВЭУ рассчитывается для минимальной скорости ветра V_min и в диапазоне угловых скоростей [0, _min].

Уравнение вращения:

,

а угол установки лопасти выбирается таким, чтобы m(z) = m_max(z), при этом зависимость m_max(z) представляет собой огибающую графика m(z) (рис.5.1).

7.9. Режим торможения предназначен для перевода ВЭУ из состояния вращения в состояние остановки либо медленного вращения. Торможение ветроагрегата осуществляется поворотом лопастей во флюгерное положение, в котором вращающий аэродинамический момент ветроколеса близок к нулю.

Режим торможения рассчитывается для расчетного значения скорости ветра V₀ = V_p при его следующем изменении в процессе торможения [4]:

V_p, при t  0

V( t )= V_p + 7,5 [1 – Cos( )] при 0 < t  10c

V_p + 15 при t > 10c

Уравнение движения ветроагрегата

не содержит момента генератора, т.к. из условий безопасности режиму торможения должно предшествовать отключение генератора.

При расчете режима торможения угловую скорость поворота лопасти ( ) следует ограничить величиной:

4^о/с, для N_н  500 квт

8^о/с, для N_н < 500 квт.

10. Результаты расчета представляются в виде зависимостей  =  (t),  =  (t), а также таблиц. При представлении результатов расчета режима торможения определить величину перерегулирования ,

где _max, ₀ – соответственно максимальное и начальное значение частоты вращения.