Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы преобразования энергии типовые расчеты. Учебное пособие
.pdf
Рис. 1.3. Ветроустановка с горизонтальной осью вращения
Для расчета мощности лопастной ветроэнергетической установки
используется выражение
3
v
PSc
(1.5)
2
ом г р
,
где ρ = 1,23
S – ометаемая площадь лопасти,
ом
3
кг/м – удельный вес воздуха; v – скорость ветра, м/с;
2
м ; с – коэффициент использования
ветра (зависит от типа и качества изготовления ветроколеса, но не может
быть больше теоретического предела с = 0,6 (критерий Беца);
генератора (у используемых генераторов
дуктора
( = 0,7…0,9).
р
= 0,6…0,8); р – КПД ре-
г
– КПД
г
Ометаемая площадь – площадь поверхности, описываемой лопастями при их вращении. В простейшем случае (когда вектор скорости
ветра перпендикулярен плоскости вращения лопасти) она вычисляется
как площадь круга с радиусом, равным радиусу лопасти. Поскольку
в этом случае удается использовать максимальную долю энергии ветра,
в установках применяются хвостовики, ориентирующие лопасти в перпендикулярном положении относительно потока ветра.
Для различных видов роторов можно построить кривую зависимости коэффициента мощности от быстроходности, некоторые зависимости показаны на рис. 1.4.
11
Рис. 1.4. Зависимость коэффициента мощности С
1 – критерий Беца, 59 %; 2 – критерий Глауэрта; 3 – трехлопастное ветроколесо;
4 – двухлопастное ветроколесо; 5 – вертикально-осевые ветроколеса типа Дарье;
6 – многолопастные ветронасосы; 7 – ротор Савониуса
от быстроходности Z:
Р
Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости точки крыла, наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя,
к скорости ветра.
Ветряные электрогенераторы (ВЭГ) с двумя-тремя лопастями считаются быстроходными и имеют более высокий КПД и частоту вращения,
но при этом низкий стартовый момент ротора. Поэтому быстроходные
ВЭГ выгодно использовать с электрическим генератором
, который
имеет высокую частоту вращения (для уменьшения массогабаритных
характеристик) и низкий момент запуска. В свою очередь, тихоходные
ВЭГ обычно комплектуются водяными насосами, которые имеют большой момент запуска и меньшую частоту вращения.
12
Из формулы (1.5) видно, что мощность ветроэнергетической установки в значительной мере зависит от скорости ветра, которая не является постоянной и зависит от высоты. Эта зависимость описывается выражением
k
h
h
0
,
vv
0
где v – искомая скорость ветра на высоте h;
рости ветра на высоте
h (метеорологические измерения обычно прово-
0
v – известная величина ско-
0
дятся на высоте 10 м); h – высота, для которой производится расчет скорости ветра; k – эмпирический коэффициент, зависящий от ландшафта
местности (в расчетах следует принимать k = 0,2).
Таким образом, расчет мощности ветроустановки является сложным, но необходимым процессом, требующим учета множества факторов, включая скорость ветра, высоту установки
, характеристики ветротурбины и другие параметры. Точный расчет мощности позволит оптимизировать работу ветроэнергетической системы, повысить ее эффективность и обеспечить стабильное производство электроэнергии из возобновляемых источников.
1.4. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
ПЛОТИННОЙ ГЭС
Одним из распространенных возобновляемых источников для получения электрической энергии является вода. Она обладает механической
энергией, которую получает благодаря расположению на возвышенных
местах (потенциальная энергия воды в реках). Стекая по руслам в низменные места, вода начинает обладать кинетической энергией.
Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый
напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины
, которая приводит
в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды формируется строительством плотины,
что приводит к концентрации реки в определенном месте, или естественным током воды (деривацией), или использованием совместно
и плотины, и деривации.
13
Использование механической энергии воды по образу и подобию
N
рассмотренной ранее ветроэнергетической установки позволяет получать электрическую энергию. Разница заключается в том, что роль ветроколеса выполняет турбина, располагаемая вертикально (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Плотинная ГЭС
Поскольку удельный вес воды существенно больше плотности воздуха, то даже при относительно малых скоростях водные потоки обладают большей энергией, мощность N
которой может быть рассчитана
по формуле
,
где ρ = 1000
бодного падения;
3
кг/м – удельный вес воды; g = 9,8 2м/с – ускорение сво-
Q – расход воды,
gQH (1.6)
3
м /с; Н – напор воды (разность
между уровнями верхнего и нижнего бьефов плотины), м.
Тогда работа
где
Т – продолжительность периода выработки энергии; т – КПД тур-
бины;
– КПД генератора;
г
А, совершаемая потоком жидкости, находится как
тгс/п
k – коэффициент, учитывающий потери
с/п
14
,AT k (1.7)
кинетической энергии потока в водоподводящих и водоотводящих сооружениях плотины.
Общеизвестно, что уровень воды в реках, а следовательно, и расход
(сток) воды отличается неравномерностью в течение продолжительных
промежутков времени (месяца, года и т. д.). Поэтому при расчете количества выработанной (обычно за год) гидроэлектростанцией энергии
необходимо учитывать эти изменения, которые отражаются на графике,
показывающем изменение стока реки во времени и называемом
графом
реки.
гидро-
1.5. РАСЧЕТ ПРИЛИВНОЙ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Работа приливной электростанции (ПЭС) основана на ежедневных
приливах и отливах. Колебания уровня воды происходят под воздействием изменения положения Луны и в меньшей степени Солнца по
причине вращения Земли вокруг своей оси. Явления приливов и отливов
наиболее ярко выражены на побережье океана, в то время как во внутренних морях они
практически не наблюдаются. Однако и на открытых
побережьях высота приливов крайне неоднородна и зависит от ряда
факторов. В большинстве случаев высота приливной волны составляет
от 0,5 до 2 м, но есть на Земле места, где высота приливной волны достигает 10…18 м.
При строительстве ПЭС залив или устье впадающей в море (океан)
перекрывают плотиной, образуя бассейн ПЭС. В водопропуск-
реки
ных отверстиях плотины (рис. 1.6), которые выполняют также функции клапана (затвора), размещаются гидротурбины с генераторами
(как правило, обратимые капсульные гидроагрегаты), способные вырабатывать электрическую энергию при движении воды из моря в бассейн и обратно непрерывно в течение 4–5 ч с перерывами в 1–2 ч
четыре раза в сутки. Строительство ПЭС экономически целесообразно
в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, объема и площади приливного бассейна, числа турбин, установленных в теле плотины. При совместной работе в одной энергосистеме
15
с мощными тепловыми электростанциями (ТЭС) энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для покрытия пиков нагрузки
энергосистемы.
Рис. 1.6. Плотинная электростанция
Поднятую на максимальную высоту во время прилива воду можно
отделить от моря дамбой или плотиной в бассейне площадью
S. Если
затем во время отлива пропустить эту массу воды через турбины, то
можно получить энергию, рассчитать которую можно по формуле
2
где ρ – плотность воды,
2
ное 9,8
м/с ; S – площадь приливного бассейна, 2м ; R – перепад уров-
3
кг/м ; g – ускорение свободного падения, рав-
/2,WgSR Дж, (1.8)
ней (величина прилива), м.
Очевидно, что места с большой высотой приливов обладают и большим потенциалом приливной энергии. Зависимость плотности морской
воды от солености s (задается в промилле, ‰):
16
23
г/см .0,997 0,745 0,314 ,ss (1.9)
Максимально возможная (теоретическая) мощность в одном цикле
«прилив – отлив» рассчитывается по формуле
2
/2 ,Р gSR t Вт,
или (1.10)
/,Р Wt Вт,
где
– длительность прилива (отлива).
t
В среднем приливы чередуются с отливами через 6 ч 12 мин 30 с,
т. е. в одном цикле «прилив – отлив»
= 12 ч 25 мин.
t
1.6. ОЦЕНКА СОЛНЕЧНОГО ПОТЕНЦИАЛА
МЕСТНОСТИ
Лучистая (солнечная) энергия, как и энергия ветра и водных потоков,
относится к возобновляемым источникам. Эффективность преобразователей солнечной энергии в первую очередь зависит от инсоляции –
интенсивности потока солнечного излучения. При проектировании
установок, преобразующих лучистую энергию в другие ее виды, используют усредненные данные об инсоляции местности за период
(сутки, месяц,
год), полученные в результате многолетних наблюдений.
Если таких данных нет, то оценить инсоляцию можно астрономическим
способом по положению солнца на небе. Средняя величина инсоляции
поверхности земли составляет 835
2
Вт/м .
Инсоляция поверхности осуществляется двумя путями: прямым
солнечным излучением и диффузным излучением неба, которое даже
при ясной погоде составляет около 10 % от прямого. Таким образом, инсоляция I определяется как сумма инсоляций солнечного
I излучения:
ного
диф
I
и диффуз-
сол
сол диф
.II I (1.11)
Вместе с тем интенсивность прямого солнечного излучения зависит
от таких факторов, как угол падения лучей, состояние атмосферы и др.
17
Для расчета инсоляции от прямых солнечных лучей, падающих отвесно
на поверхность, используется формула
0,678
1353 0,7 ,I
сол
где коэффициент 1353 – солнечная постоянная для Земли,
(АМ )
2
Вт/м ; коэф-
фициент 0,7 учитывает долю излучения, доходящего до земной поверхности; АМ – отношение длины пути, проходимого лучами через атмосферу, к длине кратчайшего пути (когда солнце находится в зените), получившее наименование атмосферная масса; 0,678 – эмпирический ко-
эффициент, учитывающий неоднородность атмосферных слоев. Величина атмосферной массы определяется выражением
АМ ,
1
(1.12)
sin
где – угол, образованный лучом солнца и горизонталью (угол места).
В полевых условиях атмосферную массу можно определить экспериментально по длине тени, отбрасываемой вертикальным шестом известной длины (рис. 1.7).
Для расчета угла используются формулы:
для Северного полушария
90 ; (1.13)
для Южного полушария
90 ,
где φ – широта местности; δ – склонение солнца (наблюдаемое положение на небе относительно линии экватора).
В течение года солнце движется вдоль линии экватора, периодически отклоняясь до ±23,45°.
Склонение солнца в заданный день рассчитывается по формуле
360
23,45sin ( 81) ,
d
365
(1.14)
где d – порядковый номер дня в году.
18
Рис. 1.7. Схема движения солнца
Склонение солнца равно нулю в дни равноденствий (22 марта
и 22 сентября), положительное, когда в Северном полушарии лето,
и отрицательное, когда там зима. Максимума, равного 23,45°, склонение достигает 22 июня (летнее солнцестояние в Северном полушарии),
а минимума, равного –23,45°, – 22 декабря (зимнее солнцестояние
в Северном полушарии).
1.7. РАСЧЕТ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ
Солнечная батарея – это источник электрического тока на основе нескольких фотоэлементов, объединенных в панель для получения требуемой мощности. Солнечные батареи различают по способу конструирования (кристаллические пластины, тонкие пленки, многопереходные
структуры и др.) и рабочему материалу (кремний, арсенид галлия, теллурид кадмия и др.).
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) элемента солнечной
батареи
показана на рис. 1.8.
Под действием излучения, попадающего на поверхность солнечного
элемента, на его зажимах появляется напряжение, способствующее
19
протеканию электрического тока в подключенной к нему нагрузке.
f
f
На рис. 1.8 видно, что максимальная величина мощности развивается
элементом при некотором значении тока, близком к току короткого замыкания. Для расчета мощности элемента используется выражение
PU I k (1.15)
эл эл хх элКЗ
где
U и
эл хх
I – напряжение холостого хода и ток короткого замыка-
эл КЗ
ния элемента соответственно;
k = 0,8…0,9 – коэффициент заполнения,
,
показывающий насколько близка форма вольт-амперной характеристики солнечного элемента к форме прямоугольника максимальной
мощности.
Рис. 1.8. Вольт-амперная характеристика и кривая
мощности солнечного элемента:
1 – ВАХ солнечного элемента: I(U); 2 – кривая мощности: P(U)
Недостаточная величина напряжения на зажимах солнечного элемента, а также развиваемая им мощность привели к необходимости
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]