Типы ветроэнергетических установок. Ветроэлектростанции. Расчёт идеального ирреального ветряка. Схема ветроэнергетической установки Нет схемы!!!!

Наиболее важным параметром, характеризующим энергетический потенциал ветра, является его скорость.

Кинетическая энергия потока воздуха, занимающего объем , имеющего плотность и движущегося со скоростью , м/с: , Дж/с.

Мощность ветрового потока, проходящего через площадь , м²: , Вт.

Отношение мощности , развиваемой ротором ветровой турбины, к мощности ветрового потока называется коэффициентом мощности, или коэффициентом использования энергии ветра (или ):

, где

- диаметр ротора ветровой турбины.

Теоретически максимально возможное значение этого коэффициента %. В практически реализованных ветроэнергетических установках (ВЭУ) значение не превышает 0,45.

С учетом механических и электрических потерь мощности ВЭУ:

, где

- механический к.п.д.;

- электрический к.п.д.

В

большинстве конструкций ВЭУ для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию используется принцип подъемной силы крыла. Если лопасть, имеющая профиль крыла, омывается ламинарным потоком воздуха, то за счет разной скорости воздуха над верхней и под нижней поверхностями лопасти возникает разность давлений и на лопасть действует подъемная сила и сила лобового сопротивления . При разработке профиля стремятся к тому, чтобы сила была максимальной, а сила - минимальной. Сила обеспечивает перемещение лопасти в плоскости вращения, а сила воспринимается опорой. Угол между хордой и направлением движения лопасти называется углом установки, а угол (от скорости ветра) между хордой и направлением относительной скорости ветра - углом атаки. Угол зависит только от ориентации ветра, а угол от скорости ветра и скорости перемещения лопасти. Скорость и перемещения элемента лопасти зависит от расстояния от этого элемента до оси вращения и частоты вращения , т.е. .

Т

аким образом, при фиксированном угле установки угол атаки на разных участках прямой лопасти оказывается разным. Чтобы выдержать угол атаки в пределах оптимального, прибегают к закрутке лопасти по длине.

В большинстве современных ветровых турбин с помощью специальных устройств (центробежных, гидравлических и др.) обеспечивается возможность поворота всей лопасти или отдельной ее части, изменения за счет этого угла атаки и регулирования мощности на валу по заданному закону. При скорости ветра меньше номинальной лопасть разворачивается таким образом, чтобы угол атаки был оптимальным и коэффициент использования ветра максимальным. При скорости ветра выше номинальной разворотом лопасти добиваются уменьшения коэффициента использования энергии ветра до значения, при котором мощность на валу соответствует номинальной.

Эта зависимость на примере ветровой турбины 2 МВт показана на рисунке. Угол атаки , определяющий коэффициент мощности , зависит от скорости ветра и частоты вращения ротора . В силу этого, коэффициент мощности удобно выражать с помощью параметра, учитывающего и , и . Таким параметром является коэффициент быстроходности:

, где

- радиус окружности, ометаемой ротором.

Удельная стоимость установленной мощности современных ВЭУ меняется от 10000 $/кВт (малой мощности) до 1000 $/кВт (большой мощности), а стоимость электроэнергии 0,05 $/кВт.

Недостатками ВЭУ являются непостоянство вырабатываемой электроэнергии, что создает некоторые проблемы при их работе на сеть и необходимость использования аккумуляторов при работе в автономном режиме, а также более высокая стоимость 1 кВт установленной мощности. Недостатками ВЭС, состоящих из множества ВЭУ являются большой шум, электромагнитные помехи, опасность для птиц.

Преимущества, это - отсутствие топлива, неисчерпаемость энергии, низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии, возможность полной автоматизации, возможность энергообеспечения автономных объектов, модульное исполнение. Использование ВЭУ считается экономически приемлемым при среднегодовой скорости ветра не менее 5 м/с. Районы со среднегодовой скоростью ветра более 6 м/с являются особо благоприятными для развития ветроэнергетики.

Во всех ветровых двигателях используют один и тот же принцип. Ветер обдувает поверхность лопастей и возникающее при этом разряжение создает силу. Действуя на лопасть, она заставляет ее вращаться вокруг центрального вала, приводящий в движение электрогенератор.

В настоящее время разработан еще один принципиально новый тип ветроэлекторостанции (ВЭС), позволивший значительно установленную мощность агрегата. Ветродвигатель состоит из цилиндрической полой башни, в стенках которой сделаны вертикальные щели, снабженные створками (жалюзи). Открытая сверху башня имеет полое конусное основание с проемами на его боковых стеках для входа воздуха. В горловине основания размещается воздушная турбина, вал которой через маховик и муфту соединяется с вертикальным валом генератора.

Принцип действия такого агрегата сводится к следующему. Воздушный поток, поступая внутрь башни через открытые с наветренной стороны створки в тангенциальном направлении, обтекает цилиндрические стенки башни, в которых жалюзи закрыты, и завихряются. При этом окружающая скорость по мере приближения к выходу из башни все время увеличивается из-за уменьшения радиуса вращения. В результате внутри башни образуется вихрь, в центре которого создается область пониженного давления - "стержень". Наружный воздух через проемы на боковых стенках конусного основания под действием избыточного давления устремляется в основание "стержня" и, перемещаясь вверх, вращает лопасти воздушной турбины, а следовательно, и вал генератора.

Такой вихревой ветродвигатель может работать при слабом ветре и даже без него. В этом случае достаточно перепада температур на дне и в верхней части башни, но не менее 10°С. Для подогрева воздуха в основании башни устанавливается подогревательная камера, в которой используется, например, теплая вода конденсаторов ТЭС, солнечная энергия и т.п. Подобный ветровой двигатель может обеспечить значительную единичную мощность.

При возникает проблема -избыток энергии в ветреную погоду и недостаток в безветрие. Для этого используют ветроустановки с аккумулированием энергии. Наиболее перспективным является производство водорода в качестве топлива. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на О₂ и Н₂. Водород можно хранить и сжигать в топках тепловых ЭС.

№ 68