10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Характеристики вітродвигунів вітроенергетичної установки

Аеродинамічні характеристики вітродвигунів

Дослідження аеродинамічних якостей ротора тієї або іншої системи робляться досвідченим шляхом або в аеродинамічній трубі, або в природних умовах на башті, обладнаній спеціальними вимірювальними приладами.

На підставі експериментальних даних будують характеристики ротора, залежно від його швидкохідності, для коефіцієнта використання енергії вітру, обертового моменту і лобового тиску. Ці характеристики будуються у відносних (безрозмірних) величинах, їх називають універсальними характеристиками і вони дають можливість порівнювати різні типи роторів. Універсальні характеристики є графіками

У цих характеристиках абсцисою є швидкохідність з урахуванням кута установки лопаті. На осі ординат відкладається коефіцієнт використання енергії вітру ; відносний обертовий момент ; відносний коефіцієнт лобового тиску на лопаті . Характеристики будують для різних кутів установки лопаті. Відносне значення коефіцієнта використання енергії вітру визначається виразом

(3.49)

відносний обертовий момент визначається за допомогою рівняння

(3.50)

і відносний коефіцієнт лобового тиску визначається за допомогою рівняння

(3.51)

де М - обертовий момент, визначений експериментально; - радіус ротора; - лобовий тиск, визначений експериментально.

Вид безрозмірних характеристик представлений на рис.3.15.

Рисунок 3.15 - Основні безрозмірні характеристики вітродвигуна

Основними величинами, що характеризують аеродинамічні властивості ротора, є:

- максимальний обертовий момент, що розвиває ротор;

- обертовий момент, що розвиває ротор при нормальній його швидкохідності;

- початковий момент або момент зрушення з місця, коли

- число швидкохідності, при якому визначається точкою перетину характеристики моментів з горизонтальною віссю і називається синхронним модулем;

- величина швидкохідності, при якій коефіцієнт використання енергії вітру максимальний.

Дослідження і досвід експлуатації ВЕУ показали наступне:

1. Число лопатей ротора мало впливає на коефіцієнт використання енергії вітру. Так, для дволопатевих роторів , а для шестилопатевих роторів .

2. Найсильніше відбивається зміна числа лопатей на швидкохідності. Наприклад, шестилопатевий ротор мас при , тоді як дволопатевий ротор має , тобто майже в два рази більшу.

3. Число лопатей ротора сильно впливає на зрушуваний момент. Наприклад, шестилопатевий ротор при зрушуванні має початковий обертовий момент , а дволопатевий - , тобто у 6,7 рази менше.

4. Лобовий тиск багатолопатевих вітродвигунів при зрушуванні ротора значно вище, ніж при роботі; у швидкохідних двигунів навпаки: лобовий тиск при зрушуванні незначний, а при роботі досягає максимуму і потім, зі зростанням числа оборотів знижується вельми незначно.

Робочі характеристики вітродвигуна

Основними характеристиками вітроагрегата є момент, що розвивається ним, потужність і частота обертання. Найбільш поширені потужності характеристики типу , характеристики лобового теку , моменті характеристики . При побудові робочих характеристик користуються наступними формулами:

діючий момент на валу ротора,

(3.52)

потужність, що розвивається ротором,

(3.53)

лобовий тиск на лопаті ротора

(3.54)

Значення і приймаються за узагальненими характеристиками з урахуванням кута установки лопаті .

Ефективність використання вітроколесом енергії вітру

Вибір характеристик вітроколеса для вітроустановки в конкретних вітрових умовах визначається тими цілями, що перед нею ставляться. Зазвичай керуються однією з двох основних вимог:

1) максимізувати виробництво енергії за рік, щоб, наприклад, зменшити споживання палива тепловими електростанціями єдиної енергосистеми, або

2) забезпечити виробництво певного мінімуму енергії навіть при слабкому вітрі, щоб, наприклад, зберегти працездатність насосів системи водопостачання. Крім того, при виборі характеристик вітроколеса слід враховувати характеристики агрегатів-генераторів, насосів і т.д., з якими вони безпосередньо стикуються. Енергією, переданою вітровим потоком вітроустановці, є енергія на валу вітроколеса. Нехай Е - енергія потоку, передана вітроколесу за час Т, а - частина цієї енергії, передана вітровим потоком зі швидкістю і в одиничному швидкісному інтервалі. Тоді

(3.55)

Якщо щільність повітря вважати постійною, то середня потужність на валу вітроколеса

(3.56)

Щоб обчислити значення цього інтеграла, потрібно знати залежність коефіцієнту від швидкості набігаючого потоку. Для цього розіб'ємо увесь швидкісний діапазон на чотири характерні ділянки:

1. Швидкість вітру менше швидкості, при якій вітроустановка включається. У цьому діапазоні

(3.57)

2. Швидкість вітру більше номінальної швидкості , тут

(3.58)

де

- розрахункова (проектна) вихідна потужність. 3. Швидкість вітру більше швидкості, при якій вітроустановка відключається, тоді

(3.59)

4. Швидкість вітру - в інтервалі . Вихідна потужність в цьому діапазоні залежить від швидкості вітру і типу вітроколеса. Для більшості вітроустановок ця залежність має вигляд

(3.60)

де а і b - константи, визначувані з умов: у момент включення вітроустановки Р=0, тому

при розрахунковій швидкості звідки

звідси слідує

(3.61)

Таким чином, коефіцієнти а і Ь можна виразити через параметри , і . У роботі вітроустановки можна виділити два граничні режими:

режим з постійним коефіцієнтом швидкохідності Z і, отже, з постійним коефіцієнтом використання енергії вітру ;

режим з постійною частотою обертання вітроколеса і, отже, зі змінним коефіцієнтом .

Регламентовані швидкості вітру

При виборі і розрахунку вітроагрегату потрібно в якості початкових даних обгрунтування ряду значень швидкості вітру:

мінімальна швидкість вітру - найменша швидкість, при якій можлива робота агрегату і при якій він запускається в роботу. Для великих агрегатів призначається в межах 4-6 м/с;

розрахункова швидкість вітру найменша швидкість, при якій вітроагрегат здатний видавати номінальну потужність. Заниження веде до невиправданих втрат вироблення енергії, оскільки при швидкостях потужність ВЕУ або залишається рівною номінальною або (при неповоротних лопатях) знижується;

максимальна швидкість вітру - це швидкість, при перевищенні якої ВЕУ виводиться з роботи. Зазвичай не перевершує 25-30 м/с, оскільки тривалість більш високих швидкостей зазвичай невелика і зупинка ВЕУ не призводить до помітних втрат у виробленні електроенергії;

гранично допустима швидкість , яку установка в неробочому положенні повинна витримати без ушкоджень. Залежно від регіону розміщення вона повинна прийматися в межах 50-70 м/с.

Завищення призводить до невиправданого дорожчання агрегату, оскільки зі збільшенням зростає розрахункове навантаження на лопаті і збільшується вага всіх конструкції ВЕУ. Вибір повинен робитися на підставі техніко-економічного розрахунку. Для різних розрахункових швидкостей вітру, на основі інтегральних кривих розподілу вітру для цієї місцевості, визначається втрачене вироблення електроенергії за рахунок обмеження потужності генератора, а також вартість втраченої електроенергії. При збільшенні швидкості вітру вище за значення обмеження потужності горизонтально-осьового ротора здійснюється розворотом лопатей або частковим виведенням осі ротора з-під вітру.

Для перетворення енергії вітрового потоку принципово можлива експлуатація ВЕУ в наступних основних режимах роботи вітродвигуна: фіксованої кутової частоти обертання і змінюваної кутової частоти обертання. Перший характеризується тим, що вал вітродвигуна повинен обертатися з фіксованою або близькою до неї швидкістю в широкому діапазоні зміни робочих швидкостей вітрового потоку. Швидкісна характеристика такого режиму представлена на рис.3.16, а.

Інтервал швидкостей вітрового потоку (початковою фіксованою і максимальною фіксованою) є робочим діапазоном ВЕУ. При цьому швидкість є тією мінімальною швидкістю потоку, при якій можлива фіксація необхідної розрахункової кутової частоти обертання валу вітродвигуна. При постійній частоті обертання вітродвигуна коефіцієнт швидкохідності Z змінюється обернено пропорційно до швидкості вітрового потоку. При цьому його коливання призводять до зміни коефіцієнта використання енергії вітру. В результаті його максимум забезпечується тільки в двох точках швидкісної характеристики, причому одна з них лежить поза робочою її частиною. Тому робота ВЕУ в режимі фіксованої частоти обертання вітродвигуна протікає в основному при значеннях коефіцієнта використання енергії вітру, менше максимального.

Рисунок 3.16 - Швидкісні характеристики режимів: а - з фіксованої частоти обертання ротора; б - з частотою обертання ротора, що змінюється

Початок інтервалу робочих швидкостей вітрового потоку в цьому режимі відмічений відносно високими значеннями коефіцієнта швидкохідності і низьким коефіцієнтом використання енергії вітру.

Робота ВЕУ в режимі змінюваної частоти обертання вітродвигуна (рис.3.16, в) характеризується постійними значеннями коефіцієнта швидкохідності і коефіцієнта використання енергії вітру в робочому діапазоні швидкостей вітрового потоку. Для забезпечення такого режиму роботи необхідно, щоб лінійна частота обертання вітродвигуна змінювалася прямо пропорціональна зміні швидкості вітрового потоку. Таким чином, режим змінюваної частоти обертання вітродвигуна при постійному і оптимальному коефіцієнті швидкохідності повинен забезпечувати більш високу ефективність перетворення енергії вітрового потоку в інтервалі робочих швидкостей (змінюваної початкової і змінюваної номінальної ). В результаті цього має місце і більш висока механічна потужність, що розвивається вітродвигуном, в порівнянні з режимами фіксовано? частоти обертання вітродвигуна, як при високих, так і при низьких швидкостях вітрового потоку. Проте зміна частоти обертання вітродвигуна в широких межах обмежується питаннями забезпечення механічної стійкості лопатей. Тому робота ВБУ в режимі змінюваної частоти обертання можлива тільки при малій її потужності.

До технічних показників ефективності використання вітроелектричних установок відносяться:

об'єм річного вироблення електроенергії;

число годин роботи за рік;

об'єм вироблення електроенергії за рік при швидкостях вітру менше номінального значення;

число годин роботи за рік при швидкостях вітру менше номінального значення;

об'єм вироблення електроенергії за рік при швидкостях вітру більше номінального значення;

число годин роботи за рік при швидкостях вітру більше номінального значення;

число годин простою за рік;

число годин використання номінальної потужності за рік;

коефіцієнт використання номінальної потужності за рік.

Основні параметри ВЕУ:

Розмір ВЕУ - зазвичай вказується діаметр вітротурбіни. Обмахувана площа вітротурбіни пропорційна квадрату її діаметра, а номінальна потужність і вироблення енергії вітроустановкою пропорційно площі вітроприймального пристрою. Таким чином, якщо діаметри вітроустановок розрізняються, наприклад в 1,5 рази, їх енергетичні можливості розрізняються в 1,5 х 1,5 = 2,25 рази.

Номінальна потужність - потужність, що розвиває вітроустановка при обраній розрахунковій швидкості. Цей параметр часто помилково приймається основним при виборі і порівнянні різних ВЕУ між собою. Насправді він не настільки важливий, так як, практично ніколи навантаження не підключається до ВЕУ безпосередньо. Важлива потужність перетворювача, який бере енергію від ВЕУ і акумуляторної батареї. Реальна потужність ВЕУ не дорівнює номінальній, а змінюється залежно від поточної швидкості вітру. Номінальна потужність вітроустановки пропорційна квадрату діаметра вітротурбіни і кубу обраної розрахункової швидкості. Таким чином, порівнювати ВЕУ за номінальною потужністю коректно тільки при рівних розрахункових швидкостях вітру, а ше краще порівнювати їх за діаметром і виробленні енергії.

Розрахункова швидкість вітру - швидкість вітру, при якій вітроустановка досягає номінальної потужності. Зазвичай при перевищенні розрахункової швидкості вітру починає працювати система регулювання, яка обмежує подальше зростання оборотів і потужності.

Стартова швидкість вітру - швидкість вітру при якій вітроустановка починає обертатися і заряджати акумулятори.

Зазвичай знаходиться в діапазоні 2,5.3,5 м/с. Може бути вище машин з вузькими жорстко встановленими лопатями.

Завищена стартова швидкість призводить до зниження сумарного вироблення енергії із-за частих простоїв.

Максимальна експлуатаційна швидкість вітру - швидкість вітру, яка може призвести до руйнування не зупиненої вітроустановки. Для стаціонарної вітроустановки повинна бути не менше 45.50 м/с. Інакше її експлуатація буде досить небезпечною.

Вироблення енергії за місяць, рік - це основний параметр вітроустановки, який повинен бути узгоджений з відомою або проектною енергією, що споживається навантаженнями за той же проміжок часу.

На жаль, досить часто цей параметр подається як другорядний або навіть не вказується. Він залежить від середньої швидкості вітру в місці роботи вітроустановки, розміру і конструктивної досконалості ВЕУ.

вітроенергетична установка ротор аеродинамічний

Техніко-економічна досконалість вітроустановки характеризується рядом параметрів, одним з яких є коефіцієнт використання встановленої потужності вітроустановки .

Коефіцієнт є відношенням дійсного вироблення електроенергії за який-небудь період часу, наприклад за рік () до максимально можливого вироблення () енергії в разі, якби вітроустановка працювала увесь цей період часу на номінальній потужності :

Величина коефіцієнта встановленої потужності залежить від:

працездатності (надійності),

графіку навантаження,

часу ремонтів вітроустановки,

наявності вітру

швидкості вітру.

Зазвичай ВЕУ, підключені до енергосистеми, працюють з коефіцієнтом (максимально до 0,5).

Іншим інтегральним параметром техніко-економічної досконалості вітроелектричної установки є середньорічне питоме вироблення електроенергії на 1 м: обмахуваної площі лопатевої системи. Для кращих ВЕУ потужністю більше 100 кВт ця величина складає 1250.1500 кВтг на 1м2, частіше усього середнє річне питоме вироблення знаходиться в діапазоні 700.850 кВтт на 1 м2 при сприятливій вітровій обстановці.

Размещено на Allbest.ru