1463

Бесперебойное и круглосуточное электроснабжение от ВЭУ невозможно. Это зависит от наличия ветра и его скорости.

31

1.6. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

Основным общепринятым критерием качества ветроагрегатов является удельная стоимость мощности производимой ми электроэнергии.

Как правило, основное различие между ветроагрегатами заключается в конструкции их ветродвигателей. Остальные их элементы достаточно универсальны и могут использоваться с различными типами ветродвигателей.

Если обозначить полный срок службы ветродвигателя через Т, а текущее время –– через t (0≤t≤), то значение удельной стоимости мощности в каждый момент t можно представить в виде

где: Ncp(t) –– среднее значение мощности на интервале [0,t]; Cn(t) –– текущие затраты на приобретение ветроагрегата, его установку и эксплуатацию за время [0,t].

Так как мгновенные значения мощности ветроагрегата N зависят от его конструкции, геометрических параметров Г и мгновенного значенияскорости v(t),то

Зависимость N(Г,v(t)) для конкретных типов агрегатов может быть определена по методикам их проектирования либо по экспериментальным данным.

Полные текущие затраты можно представить в виде где: Св –– стоимость ветродвигателя и его установки; с –– средняя повременная стоимость обслуживания.

Обычно ηср оценивают за весь предполагаемый срок службы ветроагрегата:

Основные сложности при расчете заключается в следующем.

Расчет средней мощности. Мгновенное значение N(Г,v(t)) зависит от скорости ветра v(t) в данный момент времени t, поэтому необходима дополнительная информация о зависимости v(t) за весь период эксплуатации [0,T].

32

Расчет полных затрат. Величины Св и с для одного и того же типа ветроагрегатов могут значительно колебаться. Это во многом зависит от того, используются ли отечественные или зарубежные узлы и детали (последние, в свою очередь, также значительно различаются по цене).

Рассмотрим возможные пути преодоления данных затруднений.

Расчет средней мощности. Обычно ветровые условия на местности характеризуются средней скоростью ветра (данный показатель, как правило, определяется на метеостанциях), по которой ориентировочно делают заключение об энергетической эффективности тех или иных типов ветродвигателей для данного района. На наш взгляд, такой подход может обеспечить лишь грубое приближение, поскольку реальная энергоотдача ветродвигателя определяется мгновенными скоростями ветра. Для примера рассмотрим следующую ситуацию. Допустим, в некоторой местности с минимальной рабочей скоростью 5 м/с и рпедельной 25 м/с. В первой половине суток скорость ветра равна 3 м/с, а во второй 27м/с. При этом средняя скорость будет 15 м/с. Если исходить из нее, ветродвигатель будет работать в условиях, близких к оптимальным. На самом деле в первой половине суток он будет простаивать из-за недостаточной скорости ветра, а во второй –– из-за избыточной.

Как видно из приведенного примера, для более объективной оценки энергетической эффективности ветродвигателей необходимо брать не усредненный ветер, а рассматривать его мгновенные значения и их длительность.

Долю ветров, имеющих заданную величину скорости v в общем объеме, с точки зрения теории вероятностей, логично оценивать с помощью их плотности распределения p(v).

Смысл данной величины в следующем. При фиксированном значении v = v,

33

Назовем ее относительной мощностью. Этот показатель может быть использован в тех случаях, когда данные по стоимости, монтажу и эксплуатации отсутствуют, например для новых конструкций. Связь его с удельной стоимостью мощностью следующая:

где сотн = С/S –– удельные полные затраты на единицу площади ометаемого сечения.

Относительная мощность при сравнительной оценке различных типов ветроагрегатов с близкими размерами для ветровых условий конкретной местности может быть использована следующим образом.

Поскольку основное различие агрегатов заключается в конструкции их ветродвигателей, то при сравнительной оценке эффективности аналогичные рассуждения справедливы и более узком смысле –– применительно к ведродвигателям.

Относительная мощность была рассчитана для:

––ветродвигателя с поворотными лопастями с плечом

L = 1 м, с высотой лопастей h = 1 м и шириной 1 м, ометаемая площадь S = 2,5 м2;

––ветродвигателя с горизонтальной осью вращения, длины лопастей которого находим из равенства ометаемых площадей:

У обоих двигателей по три лопасти. Для ветродвигателя

сгоризонтальной осью вращения была применена традиционная методика расчета мощности при среднем значении коэффициента торможения ε = 0,35.

У первого типа ветродвигателей формула для определе-

ния ηОТН принимает вид

где: Mmotor(φ) = МДВ(φ) –– движущий момент сил на раме дви-

гателя; vmin = 3,5 м/с; vmax = 15 м/с.

У второго Сравнения проводили для двух характерных плотностей

распределения скоростей ветра, показанных на рис. 1 и 2.

Для первого распределения получены следующие зна-

чения:

35

Данные расчеты характеризуют усредненную по времени способность ветродвигателей потреблять энергию из ветровых потоков. Действительное производство существенно зависит также от характеристик остальных узлов агрегата и от реального потребления энергии.

Рассмотренная методика может быть применена к малым и средним агрегатам, имеющим мощность до 100-200 кВт, у которых в каждый момент времени ветровые условия на ометаемой площади можно считать одинаковыми. Для больших агрегатов эти условия могут существенно нарушаться, особенно при большой разности по высоте. В данном случае необходим более точный учет плотности распределения скоростей ветра –– не только по времени, но и по высоте Н, причем связь зависимостей по времени и по высоте не является в общем случае независимой: p(v(t, H)) p(v(t)) p(v(H)).

36

агрегатов, конструкцией ветроплотин, имеющих самоориентацию на ветер и буревую защиту, устройством аэростатных генераторов, рассмотрим вихревые ветроэлектрогенераторы.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ГЛАВЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ

Что называется ветроэнергетической установкой с сегментой электромеханической системой.

Достоинства и недостатки ветроэнергетической установки с сегментой электромеханической системой.

Принцип работы ветроэнергетической установки с сегментной электромеханической системой.

Устройство ветровых плотин, области их применения. Что такое генераторы с конртроторным приводом.

Принцип действия ветрогенератора с контрроторным приводом – с разнесѐнными и соосными ветроколѐсами.

Что такое аэростатический генератор. Конструкцию аэростатического генератора. Принцип работы аэростатических генераторов.

38

2.1. КОНТРРОТОРНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ

Электрические преобразователи с двумя степенями свободы –– машины с вращающимся ротором и вращающимся статором (контрроторные машины) находят ограниченное применение на практике. Это вызвано усложненной конструкцией таких машин, отсутствием опыта их эксплуатации. Между тем, данные машины имеют существенно меньшие массогабаритные показатели из-за увеличения линейной скорости перемещения электромеханических элементов [38, 39].

Интерес к подобным устройствам вызван развитием таких специфических электромеханических систем, как ветроэлектрогенераторы с сегментным статором [40], а также ветроэлектрогенераторы с сегментными роторами и статором [41]. В данных системах роторные элементы укрепляются на лопастях ветроколес, в результате чего увеличиваются линейные скорости.

Недостатком устройства [40] является увеличенная масса ротора, который фактически имеет диаметр, равный диаметру самого ветроколеса, что в случае ветроколес большого диаметра практически неприемлемо, и требует применения сегментных машин.

Разработка направлена на уменьшение массы и габаритов ветроэлектрогенератора.

Это достигается тем, что электромеханические элементы установлены на периферии ветроколес, на задней стороне первого ветроколеса и на передней стороне второго ветроколеса, причем один из участков магнитопровода выполнен в виде концевого аэродинамического профиля.

Достижением технического результата обусловлено взаимно противоположными перемещением магнитопроводов роторов и контрротора, что приводит к увеличению окружной скорости, кроме этого, поскольку имеется два комплекта роторов, энергоотдача, соответственно, увеличится в два раза.

Ветроагрегат (см. Рис. 2.1.), вид спереди, на Рис. 2.2. –– ветроагрегат, вид сбоку, на Рис. 2.3. –– электромеханический

39

элемент, вид спереди, на Рис. 2.4. –– электромеханический элемент, вид в торец ветроколеса, на Рис. 2.5. –– вид в торец магнитопроводов.

2.2. ВЕТРОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ С СЕГМЕНТНЫМИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ

СИСТЕМАМИ

Сущность предложения иллюстрируется чертежом, изо-

браженным на рис. 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4: рис 2.21 - исходный статор традиционного типа, в частности, статор универсального коллекторного двигателя; рис. 2.2.2 – статор, выполненный на базе дугообразных сегментов, полученных из исходного статора (вид спереди); рис. 2.2.3 – статор, выполненный на базе дугообразных сегментов, полученных из исходного статора (вид сбоку); рис. 2.2.4 – статор в комплексе с роторными элементами, установленными на лопастях ветроколеса.

Статор ветроколеса собран на базе статора универсального коллекторного двигателя (рис.2.2.1 ), который разрезается по линии А-А.

Для изготовления данного статора используется типовой статор, например, универсального коллекторного двигателя, разрезанный по линии А-А (рис. 2.1) со штатными обмотками,

40