Общие сведения о ветроэнергетике

Современная ветроэнергетика с её техническим оснащением является полностью сложившимся направлением энергетики. Ветро­энергетические установки мощностью от единиц кв до нескольких мегаватт серийно выполняются в Европе, США, Рф и других странах мира. Основная часть таких установок применяется для производства электроэнергии как в единой энер­госистеме, так и в автономных системах [29, 30].

При скорости ветра Общие сведения о ветроэнергетике и плотности воздуха ветроколесо, ометающее площадь , развивает мощность:

, (9.1)

где – параметр, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и именуемый коэффициентом мощности. Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна , плотности воздуха и кубу средней скорости, т.е. .

Наибольшая проектная мощность ветроэнергетической установки рассчитывается для некой Общие сведения о ветроэнергетике стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна приблизительно 12 м/c. В таком случае с 1 м2 ометаемой площади снимается порядка 300 Вт при значении от 0,35 до 0,45. В таблице 9.1 представлена систематизация и главные свойства ветроэнергетических установок (ВЭУ) разных классов. В районах с подходящими ветровыми критериями среднегодовое создание электроэнергии составляет 25-33% его наибольшего проектного значения.

Срок службы Общие сведения о ветроэнергетике ВЭУ обычно составляет 15-20 лет, а их цена колеблется от 1000 до 1500 баксов США за 1 кВт проектной мощности. Одно из главных критерий при проектировании ВЭУ – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а один раз в 50 лет бывают ветры со Общие сведения о ветроэнергетике скоростью, превосходящей в 5-10 раз среднюю, потому установки приходится проектировать с огромным припасом прочности.

Таблица 9.1 – Характеристики ВЭУ различной проектной мощности при скорости ветра 12 м/с

Класс ВЭУ Расчетная (проектная) мощность, кВт Поперечник ветроколеса Период вращения Т, с
Малые 10-25 6,4-10 0,3-0,4
Средние 10-100-150 14-20-25 0,6-0,9-1,1
Огромные 250-500-1000 32-49-64 1,4-2,1-3,1
Очень огромные 2000-3000-4000 90-110-130 3,9-4,8-5,7

Примечание: Характеристики рассчитаны для коэффициента мощности =30%, плотности воздуха Общие сведения о ветроэнергетике 1,2 кг/м3, быстроходности =6. Расчетная мощность .

Не считая того, скорость ветра очень очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 107 циклов за 20 лет работы).

Основной предпосылкой появления ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности (см. рис. 9.2).

Набросок 9.2 – Сезонная и Общие сведения о ветроэнергетике дневная циркуляция воздушного потока

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отличия воздушных течений. Все эти предпосылки осложняют общую циркуляцию атмосферы. Появляется ряд отдельных циркуляций, в той либо другой степени связанных вместе

На экваторе у Общие сведения о ветроэнергетике земной поверхности лежит зона затишья со слабенькими переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья размещены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким макаром, в северном полушарии неизменные ветры приходят с северо-востока, в южном – с юго-востока, как Общие сведения о ветроэнергетике показано на схеме (см. рис. 9.3).

Набросок 9.3 – Схема общей циркуляции земной атмосферы

Пассаты простираются приблизительно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли добивается порядка 6-8 м/с. Эти ветры поблизости огромных материков нарушаются сильными годичными колебаниями температуры и Общие сведения о ветроэнергетике давления над континентами. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над ними находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, обратном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов изменяется от 4 до 8 км зависимо от времени года и от места.

В субтропических широтах в Общие сведения о ветроэнергетике поясах высочайшего давления зоны пассатов сменяются безветренными областями. К северу и югу от этих областей примерно до 70° на всех высотах дуют ветры меж западным и юго-западным румбами в северном полушарии и меж западным и северо-западным – в южном полушарии. В этих широтах, не считая того, в атмосфере Общие сведения о ветроэнергетике безпрерывно появляются и затухают вихревые движения, усложняющие ординарную схему общей циркуляции атмосферы, показанную на рис. 9.3.

Особенные местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т.п.) вызывают местные ветры.

Вследствие конфигурации температур днём и ночкой появляются береговые морские ветры, которые именуются бризами. Днём при солнечной погоде суша греется Общие сведения о ветроэнергетике посильнее, чем поверхность моря, потому подогретый воздух становится наименее плотным и движется вверх. Вкупе с этим более прохладный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на неком расстоянии от берега движется вниз.

Таким макаром, появляется Общие сведения о ветроэнергетике циркуляция воздуха с направлением понизу – на сберегал моря, вверху – от суши к морю. Ночкой над сушей воздух охлаждается посильнее, чем над морем, потому направление циркуляции меняется: понизу воздух течёт на море, а вверху – с моря на сушу.

Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км – в сторону суши. Высота распространения Общие сведения о ветроэнергетике бризов в наших широтах добивается от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются практически в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при горячей погоде. В Рф бризы можно следить летом у берегов Темного и Каспийского морей.

Годичные конфигурации температуры в береговых районах огромных морей и Общие сведения о ветроэнергетике океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годичным периодом. Эта циркуляция, более большого размера, чем бризы, именуется муссонами. Появляются муссоны по последующим причинам. Летом материк греется посильнее, чем окружающие его моря и океаны, благодаря этому над материком появляется пониженное давление, воздух понизу устремляется к материку от океанов, а вверху Общие сведения о ветроэнергетике напротив течёт от материков к окружающим океанам. Эти ветры носят заглавие морских муссонов. Зимой материки существенно холоднее, чем поверхность моря; над ними появляется область завышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от материка к океанам, а в верхних слоях – напротив от океанов к материкам. Эти ветры именуются Общие сведения о ветроэнергетике материковыми муссонами.

Сильные муссоны можно следить на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют грозные северо-западные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские Общие сведения о ветроэнергетике мокроватые ветры. Эти ветры существенно оказывают влияние на климат Дальневосточного края.

Разные зоны страны имеют ветровые режимы, очень отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает все таки возможность приближенно судить о необходимости использования ветродвигателя и об эффективности агрегата.

Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье Общие сведения о ветроэнергетике и северная часть Сахалина, отличаются высочайшей интенсивностью ветрового режима. Тут среднегодовые скорости ветра превосходят 6 м/с. В этих районах нередко наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/с), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Потому в обозначенной зоне можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высочайшей быстроходности (двух-, трехлопастные), крепкость которых рассчитана на ветровые Общие сведения о ветроэнергетике нагрузки при скоростях ветра 40 м/с. В Арктике и на побережье более отлично применение ветроэлектрических станций, работающих вместе с термическим резервом, также маленьких ветроэлектрических агрегатов.

Большая часть областей европейской части Рф относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/с. К Общие сведения о ветроэнергетике этой же зоне относится часть местности, лежащая юго-восточнее озера Байкал.

3-я зона занимает необъятную местность Восточной Сибири и Далекого Востока, неких областей европейской части Рф. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и обширное применение тут ветроэнергетических установок не рекомендуется.

Суммарная кинетическая энергия Общие сведения о ветроэнергетике ветров за секунду оценивается величиной порядка 1,2×1015 Вт, что равно приблизительно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.

Достоверно оценить, какая толика энергии ветра может быть применена, навряд ли может быть. Но в ряде государств, к примеру, в Германии и Англии, толика ветроэнергетики в производстве всей электроэнергии доходит до 20%.

Автономные ветровые энергоустановки очень Общие сведения о ветроэнергетике перспективны и уже теснят дизельные электростанции, в особенности, в отдаленных районах и на островах вследствие накладности доставки органического горючего.

9.2. Короткая систематизация ветроэнергетических
установок

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) классифицируются по двум главным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. На рис. 9.4 показаны взаимодействия воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при Общие сведения о ветроэнергетике всем этом силы.

Набросок 9.4 – Скорости элемента лопасти и действующие на него силы:

– скорость ветра; – скорость элемента лопасти, – скорость элемента лопасти относительно ветра; – сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости ; – подъемная сила, перпендикулярная силе .

Если воздушный поток, имеющий скорость , набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью , то скорость потока относительно лопасти будет Общие сведения о ветроэнергетике . При содействии потока с лопастью появляются:

Если воздушный поток, имеющий скорость , набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью , то скорость потока относительно лопасти будет . При содействии потока с лопастью появляются:

1) сила сопротивления , параллельная вектору относительной скорости набегающего потока ;

2) подъемная сила , перпендикулярная силе . Слово «подъемная», очевидно, не обозначает, как в аэродинамике Общие сведения о ветроэнергетике, что эта сила ориентирована ввысь;

3) завихрение обтекающего лопасти потока;

4) турбулизация потока, т.е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность появляется как за колесом, так и перед ним, в итоге лопасть нередко оказывается в потоке, возмущенном другими лопастями;

5) препятствие для набежавшего потока. Это его свойство Общие сведения о ветроэнергетике характеризуется параметром, именуемым геометрическим наполнением и равным относительно площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную сгустку, к ометаемой ими площади. Так, к примеру, при схожих лопастях четырехлопастное колесо имеет в два раза больше геометрическое наполнение, чем двухлопастное.

Систематизация ветроэнергетических установок изображена на рис. 9.5, но этим не исчерпывается все обилие конструкций Общие сведения о ветроэнергетике этих аппаратов.

В большинстве случаев ВЭУ систематизируют по последующим признакам:

1. По расположению оси ветроколеса по отношению к сгустку ветра. Ось вращения ветроколеса может быть параллельна либо перпендикулярна воздушному сгустку. В первом случае установка именуется горизонтально-осевой, во-втором – вертикально-осевой.

2. По типу крутящей силы. Установки, использующие силу сопротивления, обычно, крутятся Общие сведения о ветроэнергетике с линейной скоростью, наименьшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, которая значительно больше скорости ветра.

Набросок 9.5 – Систематизация ветроколес:

а – с горизонтальной осью; б – с вертикальной осью; в – с концентраторами (усилителями) ветрового потока;

1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – трехлопастное; 4 – многолопастное; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье Общие сведения о ветроэнергетике; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса; 10 – усилитель потока

3. По геометрическому наполнению ветроколеса. Для основной массы установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с огромным геометрическим наполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабеньком ветре, и максимум мощности достигается при маленьких оборотах колеса. ВЭУ с малым наполнением добиваются наибольшей мощности при огромных оборотах и Общие сведения о ветроэнергетике требуют большего времени для выхода на этот режим. Потому 1-ые установки употребляются в качестве приводов водяных насосов, и даже при слабеньком ветре сохраняют работоспособность, 2-ые – в качестве приводов электрогенераторов, которым требуется высочайшая частота вращения.

4. По данной цели. Установки для конкретного выполнения механической работы нередко именуют ветряной мельницей либо турбиной. Установки для Общие сведения о ветроэнергетике производства электроэнергии, т.е. сопряженные турбина и электрогенератор именуются ветроэлектрогенератром, аэрогенератором, либо установками с преобразованием энергии.

5. От частоты вращения ветроколеса. Есть два вида ВЭУ, присоединенных к сильной энергосистеме, частота вращения постоянна вследствие эффекта автосихронизации, но такие установки наименее отлично употребляют энергию ветра, чем установки с переменной частотой Общие сведения о ветроэнергетике вращения.

6. По типу сопряжения ветроколеса с электрогенератором. Если ветроколесо связано впрямую с генератором, то такое соединение именуется жестким; а если через буфер, роль которого играет промежный накопитель энергии, то такое соединение именуют отчасти развязанным соединением.

Наличие буфера уменьшает воздействие флуктуаций частоты вращения ветроколеса и позволяет более отлично использовать энергию ветра Общие сведения о ветроэнергетике и мощность электрогенераторов, т.е. нежесткое соединение, вместе с инерцией ветроколеса, уменьшает воздействие флуктуаций скорости ветра на выходные характеристики электрогенератора. Уменьшить это воздействие позволяет также упругое соединение лопастей с осью ветроколеса, к примеру, при помощи подпружиненных шарниров.

9.3. Ветроустановки с горизонтальной и вертикальной
осью

Разглядим сначала ВЭУ с горизонтальной осью вращения Общие сведения о ветроэнергетике, так именуемый пропеллерный тип, более обширно всераспространенный на практике.

Основной крутящей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может размещаться перед опорной башней либо за ней. При фронтальном расположениеи ветроколесо может иметь аэродинамический стабилизатор, удерживающий его в рабочем положении.

При заднем расположении Общие сведения о ветроэнергетике башни оно отчасти затеняет ветроколесо и турбулизует набегающий на него поток. При работе колеса в таких критериях появляются уменьшение нагрузки, завышенный шум и флуктуации выходных характеристик ВЭУ. Направление ветра может поменяться достаточно стремительно, и ветроколесо должно верно выслеживать эти конфигурации. Потому у ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели употребляются Общие сведения о ветроэнергетике электронные серводвигатели.

В ВЭУ обычно применяется двух- либо трехлопастные ветроколеса; последние отличаются очень плавным ходом. После ветроколеса стоит редуктор, соединенный с электрогенератором, все это размещено наверху опорной башни, в поворотной головке. Все это удобнее располагать в самом низу, у основания башни, но возникающие при всем этом трудности с Общие сведения о ветроэнергетике передачей вращающего момента преуменьшают все достоинства такового размещения.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие собственной геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Не считая того, такая схема позволяет только за счет удлинения вала установить редуктор с генератором у подножия башни.

Основными недочетами таких установок являются:

1) еще большая Общие сведения о ветроэнергетике подверженность их усталостным разрушениям из-за более нередко возникающих в их автоколебательных процессов;

2) пульсация вращающего момента, приводящая к ненужным пульсациям выходных характеристик генератора. Потому подавляющее число ВЭУ выполнено по схеме горизонтально-осевых установок, но исследования вертикально-осевых установок все таки длятся.

Коротко опишем главные типы вертикально-осевых ВЭУ (см. рис Общие сведения о ветроэнергетике. 9.5).

1. Чашечный ротор (анемометр) Ветроколесо этого типа крутится силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает фактически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

2. Ротор Савониуса. Это колесо также крутится силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Крутящий момент создается благодаря Общие сведения о ветроэнергетике различному сопротивлению, оказываемому воздушному сгустку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за огромного геометрического наполнения это ветроколесо обладаем огромным вращающим моментом и употребляется для перекачки воды.

3. Ротор Дарье. Крутящий момент создается подъемной силой, возникающей на 2-ух либо на 3-х тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила Общие сведения о ветроэнергетике максимальна тогда, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье употребляется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться без помощи других ротор, обычно, не может, потому для его пуска обычно употребляется генератор, работающий в режиме мотора.

4. Ротор Масгрува. Доктор Масгров предложил расположить лопасти ветрокарусели на концах горизонтально вращающейся Общие сведения о ветроэнергетике балки и прикрепить их к ней на шарнирах.

С возрастанием силы ветра скорость вращения возрастет и центробежная сила отклонит лопасти от вертикального положения. Таким макаром уменьшатся сечение мотора и напряжения в лопастях. Это было доказано в опытах с макетом ветрокарусели поперечником 3 м.

Сразу выяснилось, что для торможения не Общие сведения о ветроэнергетике требуется дополнительных устройств, а ветрокарусель с изменяемой геометрией лопасти ни в чем же не уступает ветроколесу схожих размеров с горизонтальной осью вращения.

В схеме с ротором Масгроува реализован метод регулирования пропуском ветрового потока мимо лопастей ветродвигателя. В этом случае любая пара полулопастей из вертикального положения может сложится в горизонтальное положение.

5. Ротор Эванса Общие сведения о ветроэнергетике. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении шарнирно поворачиваются вокруг вертикальной оси. Крутящий момент создается подъемной силой, которая добивается максимума, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Роторы Эванса употребляются в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться без помощи других такие роторы, обычно, не могут, потому для Общие сведения о ветроэнергетике их пуска обычно употребляется генератор, работающий в режиме мотора.

Мощность ветроэнергетических установок находится в зависимости от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из методов ее увеличения является внедрение особых концентраторов воздушного потока. Для горизонтально-осевых ВЭУ разработаны либо предложены разные варианты таких усилителей потока. Это могут быть диффузоры либо Общие сведения о ветроэнергетике конфузоры, направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади большей, чем площадь ометаемой поверхности ветроколеса. Но в промышленных ВЭУ концентраторы не получили распространения.

9.4. Систематизация ветроэнергетических установок
по мощности ВЭУ и энергосистемы

Зависимо от относительной мощности ветроустановки в сопоставлении с полной мощностью энергосистемы, к которой они подключены, различают три класса ветроэлектрических установок. Эти классы Общие сведения о ветроэнергетике представлены в табл. 9.3.

9.4.1. Класс А: мощность ветроэлектрогенератора
в энергосистеме является определяющей

В главном к этому классу относятся раздельно стоящие одногенераторные ветроустановки, не присоединенные к какой-нибудь энергосистеме. Они могут не иметь никаких других источников энергии либо иметь, к примеру, дополнительный аэрогенератор наименьшего размера. Мощность таких ветроустановок, созданных для использования Общие сведения о ветроэнергетике в отдаленных районах в целях освещения, электропитания маяков, средств связи и т. п. не превосходит 5 кВт. Если энергия таких ВЭУ употребляется более обширно, к примеру и для отопления, то их мощность может достигать 20-50 кВт.

Таблица 9.3 – Классы ветроэнергетических систем

Класс Мощность Степень автономности ВЭУ Методы управления
А >> Автономная - шагом ветроколеса - нагрузкой
В = Ветродизельная - раздельная Общие сведения о ветроэнергетике работа ВЭУ и дизель-генератора - совместная работа ВЭУ и дизель-генератора
С << Присоединенная к сильной энергосистеме - генератора неизменного тока - преобразованием неизменного тока в переменный - конфигурацией коэффициента скольжения

Примечание: – мощность ВЭУ, – мощность других генераторов систем.

Эффективность работы ветроустановки и ее цена почти во всем зависят от корректности выбора системы управления Общие сведения о ветроэнергетике генератором, которая схематически показана на рис. 9.6.

При рациональном управлении генератором напряжение на его выходе (и частота – в случае генератора переменного тока) будет нестабильным.

Электроэнергию с такими параметрами можно конкретно использовать для подогрева домов, также в выпрямителях для следующего использования (см. рис. 9.6, а).

Обычно, такие ветроустановки полностью удовлетворяют потребителей. Относительно Общие сведения о ветроэнергетике маленькие потребности в электроэнергии со стабилизированными параметрами (к примеру, 220 В / 50 Гц) можно получить от преобразователей, питаемых от аккумуляторных батарей. Получаемая таким методом энергия ограничивается только ценой аккумуляторных батарей и преобразователей.

Набросок 12 – Вероятные схемы согласования ветроустановки с потребителями:

1 – нестабилизированное напряжение либо частота; 2 – нагревательный элемент; 3 – аккумуляторная батарея; 4 – преобразователь неизменного напряжения в Общие сведения о ветроэнергетике переменное; 5 – стабилизированное напряжение и частота; 6 – регулятор; 7 – стабилизированный неизменный ток; 8 – оборотная связь; 9 – приоритетная нагрузка

В неких случаях лучше стабилизировать частоту всей вырабатываемой генератором электроэнергии. Для этого есть два разных метода:

1. Механическое управление лопастями ветроколеса с целью сохранения угловой скорости его вращения. При таком управлении шаг лопастей (либо угол атаки Общие сведения о ветроэнергетике) ветроколеса при изменении скорости ветра меняется так, чтоб частота его вращения оставалась неизменной (см. рис. 9.6, б). Недочетом способа являются огромные энергопотери ветра, сложность и низкая надежность.

2. Электронное управление, при котором всепостоянство частоты вращения ветроколеса и генератора поддерживается конфигурацией электронной нагрузки на выходе генератора (см. рис. 9.6, в) При таком методе стабилизации частоты Общие сведения о ветроэнергетике энергия ветра употребляется еще эффективнее, потому что лопасти ветроколеса работают в рациональном режиме.

Внедрение современного электрического оборудования делает его также и поболее дешевеньким, и надежным по сопоставлению с механическим управлением.

В автономных ВЭУ используются генераторы различных типов. В маленьких установках (до 10 кВт) обширно всераспространены многополюсные генераторы Общие сведения о ветроэнергетике с неизменными магнитами. Генераторы неизменного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, а ток можно использовать для зарядки аккумов. Для генерации переменного тока обширно употребляют синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Время от времени используются также и асинхронные генераторы переменного тока, которые могут быть как самостоятельные, так Общие сведения о ветроэнергетике и со вспомогательным возбуждающим генератором.

9.4.2. Класс В: мощность ветроэлектрогенератора
1-го порядка с мощностью других генераторов системы

Такая ситуация свойственна для маленьких энергосистем в отдаленных районах. В большинстве случаев «другим генератором» является дизельный электрогенератор. В данном случае внедрение аэрогенератора позволяет сберегать дизельное горючее. Дизельный генератор может врубаться исключительно в безветрие и может работать Общие сведения о ветроэнергетике наряду с ветрогенератором при слабеньком ветре.

В ветроустановке этого класса употребляются две разные схемы рассредотачивания вырабатываемой энергии, изображенные на рис. 9.7.

а)
б)

Набросок 9.7 – Одноканальная (а) и многоканальная (б) схемы согласования ветродизельной энергоустановки с потребителями:

1 – дизельный электрогенератор; 2 – счетчик; 3 – единая цена электроэнергии; 4 – накопитель энергии; 5 – доступная электроэнергия; 6 – дорогая электроэнергия

1. Одноканальная схема. В таковой Общие сведения о ветроэнергетике схеме, имеющей один выход (обычно трехфазной; бытовые потребители питаются от некий одной фазы), поддерживается стабилизированное напряжение определенной величины – зависимо от потребностей потребителя (см. рис. 9.7, а). Круглосуточное снабжение электроэнергией без учета ее употребления просит долговременной работы (обычно, более полусуток) дизельного генератора в периоды безветрия. Дизель при всем этом либо Общие сведения о ветроэнергетике работает безпрерывно (в особенности для освещения), либо врубается только при очень сильном ветре. На практике в таковой схеме при сильном ветре время от времени более 70% энергии ВЭУ гасится на балластных сопротивлениях.

2. Многоканальная схема. Целью этой схемы является очень полное внедрение ветрового потенциала. Это достигается понижением цены электроэнергии для определенных потребителей Общие сведения о ветроэнергетике – зависимо от ее свойства (см. рис. 9.7, б). При слабеньком ветре потребители дешевенькой электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, автоматом отключаются, понижая тем нагрузку на энергосистему. Частоту вращения энергогенератора в таковой системе можно также регулировать одним из обрисованных выше методов, тогда он также будет источником стабилизированной электроэнергии. В периоды безветрия Общие сведения о ветроэнергетике электроэнергией снабжаются только потребители от дизельных генераторов, которые существенно дороже ВЭУ. Преимуществом таковой схемы рассредотачивания энергии является наибольшее внедрение в хоть какой момент времени энергии ветра.

9.4.3. Класс С: ветроэлектрогенератор
подключен к энергосистеме, существенно более сильной,
чем его собственная мощность

Это более всераспространенный случай работы ветроэлектрогенератора хоть какой мощности в районах, где Общие сведения о ветроэнергетике имеются коммунальные либо другие энергосистемы большой мощности (см. рис.9.8). При всем этом энергия ВЭУ употребляется конкретно, а ее избытки попадают в энергосистему. При слабеньком ветре и в безветрие потребители снабжаются электроэнергией от энергосистемы.

ВЭУ

Набросок 9.8 – Схема присоединения ВЭУ к более сильной энергосистеме:

1 – жилые дома и т.д.; 2 – линия электропередачи.

Более дешевеньким Общие сведения о ветроэнергетике и неопасным типом ветроэлектрогенератора в данном случае является асинхронный генератор переменного тока, присоединенный конкретно в энергосистему. При всем этом частота вращения ветроколеса может менее чем на 10% превосходить частоту, подобающую номинальной частоте электросети. При слабеньком ветре, чтоб исключить работу ВЭУ в режиме электродвигателя, его отключают от сети. Необходимость Общие сведения о ветроэнергетике стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении аэрогенератора в сеть не позволяет поддерживать неизменной быстроходность ветроколеса, т.е. понижает его КПД.

Потому в маленьких ВЭУ нередко используют два агрегата различной мощности, к примеру, 5 и 30 кВт, автоматом включающихся соответственно при слабеньком и сильном ветре.

Употребляются и другие приемы, дозволяющие изменять частоту вырабатываемой Общие сведения о ветроэнергетике генератором электроэнергии:

- повышение числа полюсов генератора за счет перекоммутации его обмоток при падении частоты вращения ветроколеса;

- выпрямление переменного тока ВЭУ и потом преобразование его в переменный ток с данными стабилизированными параметрами;

- повышение допустимого отличия частоты вращения ветроколеса от номинальной за счет включения активной нагрузки в обмотку асинхронного генератора Общие сведения о ветроэнергетике.

9.5. Теоретические базы ветроэнергетических
установок

Дальше получим соотношения для мощности, вращающего момента и силы сопротивления, действующих на ветроколесо. В этом анализе будем использовать линейное приближение.

В отсутствие турбулентности объем воздуха, проходящего в единицу времени через поперечное сечение ветроколеса площадью (см. рис. 9.9), обладает кинетической энергией, равной:

. (9.2)

где и – плотность и скорость набегающего Общие сведения о ветроэнергетике воздушного потока. Таким макаром, есть кинетическая энергия ветрового потока.

Плотность воздуха находится в зависимости от высоты над поверхностью Земли, также метеорологических критерий. Скорость ветра возрастает с высотой, находится в зависимости от местных географических критерий и достаточно очень изменяется во времени. Для расчета будем считать, что скорость ветра и плотность Общие сведения о ветроэнергетике являются неизменными во времени и в любом поперечном сечении воздушного потока. На уровне моря плотность воздуха равна 1,2 кг/м3, а нужная для действенной работы ветроустановки скорость ветра – порядка 10 м/с. При этих данных энергия ветра =600 Вт/м2. При штормовом ветре ~25 м/c, тогда ~10 000 Вт/м2.

Набросок 9.9 – Модель расчета мощности ветрового Общие сведения о ветроэнергетике потока (а) и модель взаимодействия ветрового потока с ветроколесом (б)

В теории ветроколеса подразумевается, что проходящие через него полосы тока не претерпевают разрыва, а само колесо заменяется таким проницаемым диском, при содействии с которым воздушный поток дает ему часть энергии, в силу чего давление в потоке и его импульс Общие сведения о ветроэнергетике уменьшаются. Не считая того, в процессе взаимодействия в набегающий ламинарный поток вносятся разные возмущения, но тут и в предстоящем мы ими можем пренебречь.

На рис. 9.9, б величина – площадь, ометаемая ветроколесом, и – площади поперечных сечений проходящего через ветроколесо потока соответственно до и за ним, при этом сечение размещено за пределами возмущенной ветроколесом Общие сведения о ветроэнергетике области, а сечение – в месте меньшей скорости потока. Положение площадей и можно найти по результатам экспериментальных измерений поля скоростей в округи ветроколеса. Конкретно в сечении провести такие измерения нельзя из-за вращения ветроколеса.

Действующая на ветроколесо сила , равна изменению количества движения массы проходящего через него в единицу Общие сведения о ветроэнергетике времени воздуха , другими словами можно считать, что:

. (9.3)

Эта сила действует на ветроколесо со стороны протекающего через него воздушного потока, который можно считать однородным и имеющим скорость . Мощность, развиваемая этой силой, будет иметь вид:

. (9.4)

Но эта мощность есть энергия, теряемая в единицу времени ветровым потоком, взаимодействующим с ветроколесом, которая Общие сведения о ветроэнергетике равна:

. (9.5)

Приравнивая (9.4) и (9.5), получим:

. (9.6)

Из этого соотношения следует:

. (9.7)

Другими словами из линейной теории следует, что скорость воздушного потока в плоскости ветроколеса не может быть меньше половины скорости набегающего потока.

Масса воздуха, проходящего через поверхность , ометаемой ветроколесом в единицу времени:

. (9.8)

Тогда (9.4) воспримет вид:

. (9.9)

А после подмены из (9.7) получим:

. (9.10)

Обозначим через величину Общие сведения о ветроэнергетике:

, (9.11)

именуемую коэффициентом торможения потока.

Тогда величина скорости будет иметь вид:

. (9.12)

Но с учетом (9.7) и (9.11)

. (9.13)

Очень нередко величину также именуют коэффициентом индукции либо возмущения.

Подставляя из (9.12) в (9.10), получим:

. (9.14)

Сопоставляя это выражение с (9.2), получим для мощности

, (9.15)

где – мощность набегающего потока; – часть этой мощности, передаваемая ветроколесу (эту часть именуют коэффициентом мощности), равная:

obshie-svedeniya-o-povedenii.html
obshie-svedeniya-o-prirodno-klimaticheskih-usloviyah-barguzinskogo-zapovednika-literatura-39.html
obshie-svedeniya-o-proektah-i-proektirovanii.html