Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Ветер, как носитель (источник) энергии

Как и всякое движущееся тело, ветер обладает определенным запасом кинетической энергии , и которая может быть преобразована в механическую работу или электрическую энергию с помощью специальных устройств и установок, получивших название ветряных. Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Кинетическая энергия ветрового потока Е , как всякого тела, движущегося со скоростью v и имеет массу т, равна:

(2.6)

В свою очередь масса воздуха в сечении перед ветроагрегатом является массовым расходом воздуха, что могло бы пройти через обмахувану площадь S ветроколеса за единицу времени, имея плотность

(2.7)

где - массовая плотность воздуха; в - удельный вес воздуха; g - ускорение силы тяжести; А - площадь, через которую протекает ветровой поток; v - скорость ветра.

Обмахувана площадь ветроколеса - это геометрическая проекция площади ветроколеса на плоскость, перпендикулярную вектору скорости ветра. В случае перпендикулярности вектора скорости ветра до обмахуванои площади S, ее величина определяется по формулам:

- Для горизонтально-осевого ветродвигателя (см. Рис. 2.13, а)

(2.8)

- Для вертикально-осевого ветродвигателя (см. Рис. 2. С, б)

(2.9)

Здесь диаметр ветроколеса D - это диаметр окружности, описываемого наиболее удаленными от оси вращения ветроколеса частями лопастей, // - высота вертикальной ветротурбины.

Рассмотрим трубку потока воздуха радиусом R со скоростью потока V (рис. 2.2) и определим массу воздуха, проходящего через сечение трубки в единицу времени

(2.10)

где - удельная плотность (вес) воздуха, кг / м3; V - объем, который занимает воздуха, м3; А и R - соответственно площадь и радиус трубки потока воздуха, м2, м; dl - элемент длины потока, который преодолевается за время .

Подставив в выражение 2.6 значение массы воздуха с 2.10, получим уравнение для определения кинетической энергии воздушного потока (ветра) и его мощности.

Трубка потока воздуха

Рисунок 2.2 - Трубка потока воздуха

(2.11)

(2.12)

Удельная плотность воздуха р не является постоянной величиной и зависит ресничка давления, температуры и количества водяного пара в воздухе. Плотность водяного пара меньше плотности сухого воздуха, поэтому влажный воздух при том же давлении будет иметь меньшую плотность, чем сухое. Если рассматривать воздух как идеальный и сухой газ, то зависимость плотности воздуха от давления и температуры приобретает следующий вид

(2.13)

где р - давление воздуха, ( ) - Удельная газовая постоянная (287,058 ) Т температура воздуха, ( ).

При нормальном атмосферном давлении (на уровне моря р 0 - 101325 Па) и температуре воздуха 0 ° С получим:

На рис. 2.3 приведена зависимость изменения удельной плотности воздуха, рассчитанная по уравнению (2.10) для сухого воздуха и нормального атмосферного давления в диапазоне температур от -25 ° С до + 35 ° С. Эта зависимость носит нелинейный характер.

Для практических расчетов с погрешностью, не превышающей 0,75%, это нелинейную кривую можно заменить ниспадающей аппроксимирующей прямой, ход которой удовлетворяет уравнению:

(2.14)

где - температура воздуха по шкале Цельсия, ° С, k = 0,0046 - коэффициент пропорциональности

Зависимость изменения удельной плотности сухого воздуха от температуры при нормальном атмосферном давлении

Рисунок 2.3 - Зависимость изменения удельной плотности сухого воздуха от температуры при нормальном атмосферном давлении

На рис. 2.3 эта прямая представлена ​​в виде штриховой линии.

Известно, что с повышением высоты давление воздуха падает. На небольших высотах, которые используются в ветроэнергетике, каждые 12 метров повышения высоты приводят к уменьшению атмосферного давления на 1 мм.рт.ст, или 133,322 Па.

Например, для мощных оффшорных ветрогенераторных установок, которые устанавливаются в прибрежных зонах морей с высотой оси вращения лопастей ветряка 120 метров, изменение давления составит величину . Соответственно на эту же практически несущественную величину, уменьшится зависимая от давления удельная плотность воздуха. Изменение же температуры от -25 ° С до + 25 ° С приведет к уменьшению плотности, а следовательно и массы воздуха почти на 20%.

Лк пример, с использованием выражений (2.7-2.9), определим массу воздуха, проходящего за 1 секунду через омываемую площадь ветрового колеса установки Е126 фирмы Enercon Gmbh (Германия) мощностью 7,5 МВт и диаметром ветрового колеса 126 метров (R = 63 м ), его кинетическую энергию и мощность.

При температуре воздуха 20 ° С и номинальной для этой установки скорости ветра 16 м / с за 1 с эта масса составит:

Таким образом, каждую секунду через омываемую площадь ветрового колеса проходит 240 тонн воздуха. Это соответствует массе четырех полностью загруженных углем железнодорожных вагонов.

Кинетическая энергия этой массы при скорости ветра 16 м / с составляет:

И соответственно мощность ветрового потока составит

Сравнивая полученную выше мощность ветра с номинальной мощностью установки Е126 (7,5 МВт) можно увидеть, что суммарный КПД преобразования системы ветер - электрическая энергия ниже 30%. Это говорит о том, что преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения ротора ВГУ, а затем и в электрическую энергию происходит с достаточно большими потерями. Однако ветер дается нам практически "бесплатно", и по сравнению с широко использовались в начале и середине 20 века паровозами, что было даже в своих лучших конструкциях КПД около 7 ... 9%, использование энергии ветра имеет несомненные преимущества и на сегодняшний день является экономически выгодным.

В настоящее время создано большое количество ветрогенераторных установок с различными диаметрами ветровых колес. Поэтому целесообразно ввести понятие удельной мощности ветра Ров, приходящаяся на 1 м2 омываемой площади ветрового колеса ( ). Это будет соответствовать радиусу колеса 56,42 см. Или диаметра колеса порядка 113 см.

(2.15)

На рис. 2.4 приведена зависимость удельной мощности ветра от его скорости и температуры окружающей среды при нормальном атмосферном давлении. Верхняя кривая соответствует температуре - 20 ° С; нижняя - температуре 20 ° С и средняя - температуре 0 ° С.

Зависимость удельной мощности ветра от его скорости и температуры при нормальном атмосферном давлении

Рисунок 2.4 - Зависимость удельной мощности ветра от его скорости и температуры при нормальном атмосферном давлении

Удельная мощность ветра возрастает пропорционально кубу скорости ветра с коэффициентом пропорциональности, равным половине удельной плотности воздуха. При температуре 0 ° С уравнение (2.15) приобретает следующий вид:

(2.16)

Например, при скорости ветра 10 м / с и температуре окружающей среды 0 ° С, на каждый квадратный метр омываемой поверхности ветрового колеса приходится 650 Вт мощности набегающего воздушного потока.

Температура оказывает существенное влияние на изменение удельной мощности. При скорости ветра 10 м / с и диапазоне изменения температуры воздуха от +20 до -20 ° С прибавка удельной мощности составляет 92 Вт (см. Рис. 2.4), что, например при диаметре ветрового колеса 126 метров (установка Enercon Е126) и площади ротора, равной 12469 м2, приводит к увеличению действующей на ротор суммарной мощности ветра на 1,15 МВт. При скорости ветра 12 м / с прибавка удельной мощности составляет уже 159 Вт и полная мощность возрастает на 1,98 МВт. Таким образом, при одинаковой скорости ветра в зимний период ВГУ производит электроэнергии больше, чем в летний период.

Практический интерес представляет вопрос: какое количество энергии ветра вообще возможно использовать современными техническими средствами? Изменчивость скорости ветра по времени и высоте, отсутствие опыта эксплуатации групп ветроэнергетических установок и станций, не позволяют точно определить величину энергии ветра, возможную к практическому использованию.

Приближенный теоретический подсчет используемой ветроэнергетических установок энергии ветра выполним исходя из распределения ветроустановок на поверхности суши в шахматном порядке и (для исключения взаимного влияния ветроустановок) на расстоянии пятнадцати- кратной величины диаметра ветроколеса. Следуя шахматного распределения ветроустановок на поверхности земли, подсчитаем количество энергии ветра на 1 км2. Площадь поверхности под один ветряк должна равняться:

(2.17)

где: Д = 15 D - диаметр окружности площади под один ветряк; D - диаметр ветроколеса ветроэнергетической установки, м.

Наиболее плотно расположатся ветряки, если взять площадь под каждый ветряк в виде правильного шестиугольника. Площадь такого шестиугольника будет равна:

(2.18)

Разделив 1 км2 на , получим количество ветродвигателей, которые можно разместить на 1 км2, а именно:

(2.19)

С учетом значений массовой плотности воздуха и числа π можно получить формулу для мощности каждой из ветроэнергетических установок, размещенных на площади 1 км2:

(2.20)

где c р - коэффициент использования энергии ветра ветроустановкой.

Умножая последнее выражение на п, получим суммарную установленную мощность ветроэнергетических установок, размещенных на 1 км2:

(2.21)

или

(2.22)

Для определения годовой выработки энергии необходимо знать характеристику ветроэнергетической установки и повторяемость ветра в районе ее размещения. По характеристике ветроустановки можно определить коэффициент использования энергии ветра при различных скоростях ветра, а по кривой повторяемости ветра можно определить число часов флаги течение года при каждой скорости ветра. В таблице 2.1 приведены расчетные данные значений установленной мощности генераторов ветроэнергетических установок, которые можно разместить на 1 кв. км земной поверхности значение вырабатываемой ими энергии для различных значений среднегодовой скорости ветра [22].

Таблица 2.1

Среднегодовые скорости ветра, м / с

3

4

5

6

7

8

9

10

Установленная мощность генераторов, работающих от ветродвигателей на 1 км2, кВт

297

435

618

790

1100

1480

1880

2400

Годовая выработка энергии, полученное с 1 км2, тыс. КВт * ч

445

680

1060

1550

2220

3040

3950

5120

Энергетическими характеристиками ветра является валовой, технический и экономический ресурсы или потенциалы [2].

валовой потенциал

Валовой (теоретический) потенциал ветровой энергии региона (страны, континента) - это часть среднемноголетнего суммарной ветровой энергии, которая доступна для использования на площади региона в течение одного года.

Рассмотрен регион представляется как совокупность участков, или зон, в каждой из которых удельная мощность ветровой энергии, а также географические, климатические и погодные условия являются однородными по всей площади 30-ны. Как правило, зоны должны соответствовать расположению метеорологических станций. Валовой потенциал , кВт • ч / год региона представляет сумму валовых потенциалов составляющих его зон.

Удельный валовой потенциал ветровой энергии зоны определяется средней удельной мощностью ветрового потока ( Р ), кВт / м2:

(2.23)

где Т = 8760 ч / год.

Рассмотрим вывод формулы (2.23), поскольку это является чрезвычайно важным моментом для определения всех энергетических характеристик. Валовой потенциал определяется в соответствии с допущения, что при обтекании воздушными потоками препятствия ( «воздушной плотины") высотой "Н" обуреваемый поток полностью восстанавливается на расстоянии равной 20Н после препятствия.

Тогда модель определения валового потенциала ветровой энергии представляет систему "воздушных плотин" высотой Н, ориентированных перпендикулярно направлению ветра и расположенных на плоской поверхности Земли с расстоянием 20 Н друг от друга.

Для каждой прямоугольной площадки со сторонами а и 6 (5 = ab) с известной удельной энергией (5 = аb, Вт-ч / м2) проходят над площадкой воздушных масс задача определения валового потенциала сводится к определению величины плоскостей, пересекающихся воздушными потоками и количества этих плоскостей ( "рамок") на площадке. Это объясняется на рис. 2.5.

Очевидно, площадь "рамок" равна:

а количество рамок на площадке

Модель определения валового потенциала ветровой энергии

Рисунок 2.5 - Модель определения валового потенциала ветровой энергии

Общая площадь, пересекается воздушными потоками

(2.24)

Очевидно, что формула (2.20) не изменится, если стороны а и b поменять местами по отношению к скорости ветра. Тогда валовой потенциал ветровой энергии над участком площадью S равна,

Таким образом, получается, на первый взгляд, парадоксальный результат. Ветровая энергия на самом деле зависит от площади сечения перпендикулярного скорости ветра, а в формуле (2.21) она зависит от площади на поверхности земли. Очевидно весь "фокус" на расстоянии, взятой между "воздушными" протоками.

Лк видно из формулы валовой потенциал в явном виде не зависит от толщины слоя Н. Эта зависимость проявляется через скорость ветра, которая применяется для расчета потенциала.

Однако, приведенные в таблице 2.2 данные позволяют вычислить ориентировочными валового потенциала в любой точке на базе удельного валового потенциала на высоте 50 м над поверхностью земли при различных географических характеристиках местности. Выделенные пять градаций среднегодовых скоростей ветра v , м / с, соответствующие значениям удельного валового потенциала ветровой энергии, представленного в табл. 2.2.

(2.25)

Среднегодовые скорости ветра v , м / с, и удельные валовые потенциалы ветровой энергии, кВт • ч / (м2 • год) (на высоте 50 м над уровнем Земли)

Закрытая местность

открытая местность

морской берег

Открытое море

Холмы и горы

V

V

V

V

V

> 6,0

> 110

> 7,5

> 220

> 8,5

> 310

> 9,0

> 350

> 11,5

> 790

5-6,0

66-110

6,5-7,5

130-220

7,0-8,5

180-310

8,0-9,0

260-350

10-11,5

530-790

4,4-5,0

44-66

5,5-6,5

88-130

6,0-7,0

110-180

7,8-8,0

180-260

8.5-10

310-530

3.5-4,5

22-44

4,5-5,5

44-88

5,0-6,0

66-110

5.5-7,0

88-180

7,0-8.5

180-310

<3,5

<22

<4,5

<44

<5,0

<66

<5,5

<88

<7.0

<180

Валовой потенциал зоны (территории) определяется по формуле

(2.26)

где S , м2 - площадь зоны земной поверхности.

технический потенциал

Технический потенциал ветровой энергии региона - это суммарная электрическая энергия, которая может быть получена в регионе от использования валового потенциала ветровой энергии при современном уровне развития технических средств и соблюдении экологических норм.

Технический потенциал региона представляет сумму технических потенциалов составляющих его зон.

Технический потенциал, таким образом, зависит от параметров ветроэнергетической установки, среднегодовой скорости ветра в зоне на высоте оголовка, а также части площади зоны, пригодной для строительства установки. Технический потенциал может быть определен по формуле:

(2.27)

где: - коэффициент использования энергии ветра, который зависит от скорости ветра по сложному закону, изменяясь от максимального значения равным 0,593, до минимального порядка 0,05. Достигнутое максимальное значение составляет 0,4-0,45. Для указанных выше целей коэффициент принимается равным 0,2; и - соответственно КПД генератора и редуктора ветроустановки, значение которых можно принять равным 0,9; - Площадь зоны (региона), на котором с учетом технических и экологических ограничений возможно размещение ветроустановок. Предварительные оценки показывают, что величина этой площади может колебаться от 10 до 30% всей площади зоны (региона). Принимаем S T равной 12%.

Подставляя в (2.30) указанные выше значения, получим соотношение между валовым и техническим потенциалами:

экономический потенциал

Экономический потенциал ветровой энергии региона - это величина годового поступления электроэнергии в регионе от использования ВЭУ, получение которой экономически оправдано для региона при существующем уровне цен на строительно-монтажные работы, оборудование, производство, транспортировку и распределение энергии и топлива и соблюдении экологических норм.

Экономический потенциал региона представляет сумму экономических потенциалов составляющих его зон.

На основе анализа данных по отводу площадей для размещения ветроэнергетических установок и технических характеристик ВЭУ в ведущих странах мира принимаем, что технический потенциал региона составляет 2% от его валового потенциала, а экономический потенциал составляет 0,5% от технического потенциала этого региона.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее