Солнечная энергетика в России Гелиоэнергетика. Использование солнечной энергии Геотермальная энергия Геотермальное теплоснабжение Мини-теплоэлектростанция на отходах

Расчет ветродвигательных установок

Обозначим через m массу воздуха, которая протекает через площадь поперечного сечения лопастей А, м2, со скоростью V, м/с. Тогда, m = ρ∙A∙V, где р–плотность воздуха, кг/м3. Кинетическая энергия ветра

. (3.5)

Мощность W определяется как произведение силы F на скорость V. Сила действия ветра на лопасти ветродвигателя:

, (3.6)

где А – площадь поперечного сечения лопастей, перпендикулярных к направлению скорости воздушного потока; Сх – аэродинамический коэффициент, который определяется по графику на рис 3.3. (где  - угол атаки).

Рис. 3.3. Зависимость аэродинамического коэффициента Сх от угла атаки

Если обозначим скорость перемещения поверхности лопасти ветроколеса, то относительная скорость набегающего ветра будет v-u. В этом случае сила

. (3.7)

Мощность ветродвигателя

. (3.8)

Коэффициент использования энергии ветра определяется как отношение работы, выполненной движущейся поверхностью А, к энергии ветрового потока :

. (3.9)

В этом случае

. (3.10)

В первом приближении ζ = 0,3.

При параметрах окружающей среды t0 = 0 0C, р0 = 1,013∙105 Па мощность ветродвигателя

, (3.11)

где D – диаметр ветроколеса, м:

 (3.12)

Для других значений температуры t и давления р воздуха уравнение для определения мощности WX будет иметь вид

 (3.13)

Соответственно диаметр ветроколеса

 (3.14)

Быстроходность ветродвигателя равна отношению скорости оконечности лопасти ветрового колеса к скорости ветра:

, (3.15)

где R – радиус колеса, м; n – частота вращения с-1.

Отсюда

. (3.16)

Коэффициент использования энергии ветра связан со скоростью ветродвигателя соотношением

, (3.17)

где М – момент конечных потерь.

Зависимости ζ и М от Z для числа лопастей i = 2-3 изображены на рис. 3.4, 3.5.

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента использования энергии ветра

от быстроходности двигателя Z для различного числа лопастей

Рис. 3.5. Зависимость момента конечных потерь

от быстроходности двигателя Z для различного числа лопастей i

По данным расчета выбирают тип ветродвигателя, а потом выбирают электродвигатель и при необходимости — водяной насос.

При определении мощности ветросиловой установки необходимо знать отношение продолжительности безветренного периода τз, которое идет за периодом τв с ветрами. Связь этих параметров определяется отношением

. (3.18)

Для повышения эффективности работы ветроустановки необходимо, чтобы ее мощность была больше мощности текущего потребления энергии на величину

 . (3.19)

Эта часть энергии поступает в аккумулятор для обеспечения потребителей энергией во время штилевого периода.

Кроме того, следует учитывать значение коэффициента использования установленной мощности К ветродвигателя. Этот коэффициент равен отношению фактической энергии, вырабатываемой ветродвигателем, к тому ее количеству, которое мог бы дать ветродвигатель, если бы весь период времени он работал с установленной мощностью, т. е. энергии, которая вырабатывается им при расчетной скорости ветра.

Значения коэффициента К в зависимости от среднегодовой скорости ветра и от рабочей (расчетной) скорости ветра приведены в табл. 3.2.

Таблица. 3.2

 Коэффициенты установленной мощности ветродвигателя

Среднегодовая

скорость ветра

для данной

местности, м/с

Рабочая скорость ветра, м/с

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

2,5

0,06

0,15

0,17

4,3

0,07

0,16

0,30

0,44

0,63

0,75

0,83

0,90

8,1

0,08

0,17

0,33

0,48

0,63

0,75

0,83

0,90

0,95

0,99

Мощность определяют по следующим формулам:

для электростанции

; (3.20)

для ветроэлектрозарядного агрегата

; (3.21)

для ветронасосной установки

; (3.22)

для ветряной мельницы

; (3.23)

где Wв – мощность электростанции, кВт; WH – мощность, расходуемая насосной установкой, кВт; WM – расход мощности на 1т помола, кВт; Мм – производительность мельницы, т/сут.

Кинетическая энергия Экин (Дж) воздушного потока со средней скоростью v (м/с), проходящего через поперечное сечение F (м2), перпендикулярное v, и массой воздуха т (кг) рассчитывается по формуле

. (3.24)

Величина m определяется по формуле

, (3.25)

где ρ – плотность воздуха, кг/м3.

Обычно в расчетах в качестве р принимают ее значение, равное 1,226 кг/м3 и соответствующее следующим нормальным климатическим условиям: t=15 °С, р = 760 мм рт. ст., или 101,3 кПа. Если в (3.24) в качестве т взять секундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т.е.

. (3.26)

Для F=1 м2 получаем значение удельной мощности (Вт) ветрового потока Nуд (Вт/м2) со скоростью ν (м/c):

. (3.27)

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже приведены значения Nуд для указанного рабочего диапазона скоростей ветра:

ν, м/c………2 3 4 5 10 14 18 20 23  25

Nуд, Вт/м2…4,9 16,55 39,2 76,6 613 1682 3575 4904 7458 9578

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам:

по мощности – малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт).

Обозначения к главе 3

n – частота вращения ветроколеса, с-1;

 – скорость ветра, м/с;

р – плотность воздуха, кг/м3;

W – мощность ветроустановок, кВт;

Z – скороходность ветроустановки;

ζ – коэффициент использования энергии ветра;

m – расход воздуха, кг/с;

А – площадь поперечного сечения колеса, м2;

р – плотность воздуха, кг/м3;

F – сила, Н;

u – скорость перемещения поверхности лопасти ветроколеса, м/с;

СX – аэродинамический коэффициент;

а – угол атаки, град;

t0, р0 – параметры температуры и давления окружающей среды, соответственно 0 °С и 1.013∙105Па;

t, р – текущие значения параметров окружающей среды;

D – диаметр ветроколеса, м;

R – радиус колеса, м;

τв – продолжительность периода ветров, ч.;

τз – продолжительность периода, следующего за периодом ветров, ч.;

К – коэффициент использования установленной мощности ветродвигателя;

Wв – мощность электростанции, кВт;

WН – мощность, потребляемая насосом, кВт;

WM – мощность ветряной мельницы, кВт;

Мм – производительность мельницы, т/сут.;

Nм – расход энергии на 1 т помола, кВт/т;

М – момент конечных потерь.


Использование водной энергии земли