13. Основы теории вэу. Располагаемая мощность ветроколеса. Коэффициент использования энергии ветра.

Основы теории ВЭУ.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки α. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки α. Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъёмную силу. Если уменьшать угол ϕ каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки α примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъёмной силой. Лопасть с переменным углом заклинения получает форму винтовой поверхности.

У хорошо выполненных моделей КИЭВ достигает 46%.

14. Режимы работы ветроколеса. Классификация вэу. Экологические проблемы ветроэнергетики.

Различные режимы работы ветроколеса

Ветроколесо в отличие от гидротурбины обтекается практически безграничным потоком воздуха, поэтому здесь нет возможности отвести прошедший через ветроколесо воздух за пределы набегающего потока, и это определенным образом ограничивает эффективность ветроустановок.

Наиболее существенное ограничение связано с тем, что «отработанный» воздушный поток должен обладать определенной скоростью, чтобы покинуть окрестность ветроколеса, не создавая помех набегающему потоку.

Эффективность преобразования ветроколесом энергии ветрового потока будет оптимальной, если:

􀂾 лопасти расположены так тесно, или ветроколесо вращается так быстро, что каждая лопасть движется в потоке, турбулизованном расположенными впереди лопастями

􀂾 лопасти расположены так редко или ветроколесо вращается так медленно, что значительная часть воздушного потока будет проходить через поперечное сечение ветроколеса, практически не взаимодействуя с его лопастями.

Отсюда следует, что для достижения максимальной эффективности частота вращения ветроколеса заданной геометрии должна как-то соответствовать скорости ветра.

Эффективность работы ветроколеса зависит от соотношения двух характерных времен:

• времени, за которое лопасть перемещается на расстояние, отделяющее ее от соседней лопасти

• времени, за которое создаваемая лопастью область сильного возмущения переместится на расстояние, равное ее характерной длине

Классификация ВЭУ

Класс А: мощность ветроэлектрогенератора в энергосистеме является определяющей.

В основном к этому классу относятся отдельно стоящие одногенераторные ветроустановки, не подключенные к какой-либо энергосистеме. Мощность таких ветроустановок, предназначенных для использования в отдаленных районах в целях освещения, электропитания маяков, средств связи и т.п., не превышает 5 кВт.

Класс В: мощность ветроэлектрогенератора – одного порядка с мощностью других генераторов системы. Такая ситуация характерна для небольших энергосистем в отдаленных районах. Чаще всего «другим генератором» является дизельный электрогенератор. В этом случае использование аэрогенератора позволяет экономить дизельное топливо. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ветрогенератором при слабом ветре.

Класс С: ветроэлектрогенератор подключен к энергосистеме, значительно более мощной, чем его собственная мощность. Это наиболее распространенный случай работы ветроэлектрогенератора любой мощности в районах, где имеются коммунальные или другие энергосистемы большой мощности. При этом энергия ВЭУ используется непосредственно, а ее излишки попадают в энергосистему. При слабом ветре и в безветрие потребители снабжаются электроэнергией от энергосистемы

Проблемы

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений:

• затрудняется прием телепередач

• создают мощные звуковые колебания

• неравномерная работа генератора, следовательно изменяется частота тока

• значительные капитальные вложения (примерно в 5…10 раз больше, чем в АЭС)

• значительная площадь

15. Энергия волн. Характеристики волнового движения. Амплитуда. Мощность волнового движения. Скорость перемещения волны. Преобразователи энергии волн (схемы, принцип действия, эффективность, достоинства и недостатки). Экология.

Принцип действия волновых электростанций

1. Использование вертикальных подъемов и спадов волны для при вода в

действие водяных или воздушных турбин, соединенных с электрогенераторами.

2. Использование горизонтального перемещения волн с помощью устройств

флюгерного типа для получения через специальную передачу вращательного

движения.

3. Концентрация волн в сходящемся канале, в котором их кинетическая энергия

поддерживала бы напор воды, достаточный для привода в действие турбины.

Одно из устройств первой группы представляет собой вертикальную трубу, погруженную

нижним открытым концом в достаточно спокойные слои моря и закрытую сверху. Труба

закреплена на поплавке. В верхней ее части, в "волновой" камере, вода имеет свободную

поверхность. При подъеме волны уровень свободной поверхности в "волновой" камере

поднимается и сжимает воздух, который приводит в действие воздушную турбину,

соединенную с электрогенератором. При спаде волны через атмосферный клапан в

"волновую" камеру засасывается новая порция воздуха. И далее процесс повторяется.

Период колебаний уровня воды - 5-6 с.

Мощность Р=η АрV³/2

Утка Солтера

Волны, поступающие слева, заставляют утку колебаться. Цилинд­рическая форма противоположной поверхности обеспечивает отсутст­вие распространения волны направо при колебаниях утки вокруг оси. Мощность может быть снята с оси колебательной системы с таким рас­четом, чтобы обеспечить минимум отражения энергии. Отражая и про­пуская лишь незначительную часть энергии волн (примерно 5 %), это устройство обладает весьма высокой эффективностью преобразования в широком диапазоне частот возбуждающих колебаний.

Наиболее серьезными недостатками для «уток Солтера» оказались следующие:

• необходимость передачи медленного колебательного движения на привод генератора;

• необходимость снятия мощности с плавающего на значительной глубине устройства большой протяженности;

• вследствие высокой чувствительности системы к направлению волн необходимость отслеживать изменение их направления для полу­чения высокого КПД преобразования;

• затруднения при сборке и монтаже из-за сложности формы по­верхности «утки».

Плот Коккерела

1 - колеблющаяся секция; 2 - преобразователь; 3 - тяга; 4 - шарнир

Как и «утка», он устанав­ливается перпендикулярно к фронту волны и отслеживает ее профиль.

Преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба

При набегании волны на частично погруженную полость, откры­тую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая измене­ния давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с ат­мосферой через турбину. Поток может регулироваться так, чтобы про­ходить через турбину в одном направлении, или может быть использо­вана турбина Уэлса.

1- волновой подъем уровня; 2 - воздушный поток; 3 - турбина; 4 - выпуск воздуха; 5 - направление волны; 6 - опускание уровня; 7 - впуск воздуха.

Главное преимущество устройств на принципе водяного колеб­лющегося столба состоит в том, что скорость воздуха перед турбиной может быть значительно увеличена за счет уменьшения проходного се­чения канала. Это позволяет сочетать медленное волновое движение с высокочастотным вращением турбины. Кроме того, здесь создается возможность удалить генерирующее устройство из зоны непосредст­венного воздействия соленой морской воды.

16. Энергия приливов. Периоды колебаний уровня воды. Причины возникновения приливов. Лунные и солнечные приливы. Технико-экономические и экологические проблемы ПЭС. Использование энергии приливов и морских течений (схемы, принцип действия, эффективность, достоинства и недостатки).

Ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой (так называемая сизигия), Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив (сизигийный прилив, или большая вода). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса

Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому

решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив).

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют

особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды,

морские течения и ветер.