Проект ветроэлектрической установки с номинальной мощностью 30 кВт и числом лопастей ветроколеса 2 шт.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

МИНЕСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ УКРАИНЫ

СЕВСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Нетрадиционные способы и средства получения электрической энергии

Выполнил:

студент 236 кл

Принял:

к.т.н. доцент Высочин В.А.

2010

Задание на курсовой проект

Выполнить эскизный проект ветроэлектрической установки с номинальной мощностью 30 кВт и числом лопастей ветроколеса 2 шт. для условий:

· номинальная скорость ветра 8 м/с;

· место дислокации Херсонес, маяк;

· прототип ветроэлектрический агрегат 16/30.

Реферат

В курсовом проекте выполнен эскизный проект с номинальной мощностью 30 кВт и числом лопастей 2 шт. для условий эксплуатации по данным вероятности скоростей ветра по градациям метеорологической станции №217 Херсонес, маяк.

В результате выполнения курсового проекта определены основные параметры ВЭУ, соответствующие геометрическим и энергетическим параметрам серийно выпускаемой ВЭУ 16/30.

Пояснительная записка содержит 26 страниц, 3 рисунка, 2 таблицы,

2 приложения, 6 использованных источников.

Графическая часть содержит чертежи и плакаты в объеме 3 листов формата А3.

Ключевые слова: ВЭУ, горизонтально-осевой ветроагрегат, скорость ветра по градациям, коэффициент использования энергии ветра, коэффициент использования номинальной мощности, номинальная мощность, коэффициент быстроходности.

Содержание

Введение

1. Характеристики прототипа

2. Анализ характеристик прототипа

3. Расчет основных параметров ВЭУ с горизонтальной осью вращения

4. Профилирования лопасти ветроколеса

5. Определение углов установки профиля ветроколеса

6. Определения мощности развиваемой ВЭУ в зависимости от скорости ветра

7. Расчет энерговыработки по градациям по скорости ветра

Выводы

Приложение А. Вероятность скорости ветра по градациям

Приложение В. Аэродинамические характеристики ветроколес

Литература

Введение

ветроэлектрическая установка лопасть

Ограниченность природных запасов топлива и острая проблема нарастающего загрязнения окружающей среды ставят в ряд первоочередных задач внедрение экологически чистых технологий обеспечения человечества энергией, среди которых важнейшее место принадлежит преобразованию энергии ветра в электрическую энергию.

Последняя четверть XX века характеризуется бурным развитием ветроэнергетики и становлением ее неотделимой полноправной частью энергокомплексов во многих странах мира - США, Германии, Дании, Индии, Испании, Китае и др.

К началу 2000 г. суммарная установленная мощность ветровых установок (ВЭУ) составила: в мире - 13250 МВт, в странах Европейского содружества - 8959 МВт, в Украине - 12,75 МВт. В 2000 г. в Украине было установлено ВЭУ общей мощностью более 10 МВт.

К 2020 г. мировой объем генерирования электрической энергии ветровыми электрическими станциями (ВЭС) достигнет 10 % в мировом балансе генерирования электроэнергии. Лидером мирового производства и использования ВЭУ является Европа, здесь изготавливаются примерно 75 % и устанавливаются примерно 70 % всех ВЭУ, которые изготавливаются в мире.

Ведущие страны планируют до 2020 г. довести в национальных балансах использование электроэнергии, полученной на ВЭС: Дания - до 50 %, Германия - до 30 %, США - до 24 %, Китай - до 15 %.

Анализ мировых тенденций развития ветроэнергетики дает возможность сделать вывод, что этот экологически чистый и возобновляемый вид энергии в ближайшем будущем может стать одним из важнейших источников удовлетворения потребности человека в электрической энергии.

1. Характеристики прототипа

Ветроэлектрический агрегат ВЭУ 16/30;

Диаметр ветроколеса 16 м;

Число лопастей 2 шт.;

Диапазон рабочих скоростей ветра 3-25 м/с;

Номинальная скорость ветра 9 м/с;

Номинальная мощность ветроколеса 30 кВт;

Частота вращения 30-70 об/мин;

Мощность генератора 30 кВт;

Высота от поверхности земли до оси 23 м;

Масса агрегата 520 кг;

Полный срок службы 20 лет.

Источник информации [ 2 ].

2. Анализ характеристик прототипа

Важнейшей характеристикой любой ВЭУ является коэффициент использования энергии ветра.

Как известно, энергия ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра:

(1).

Секундная работа, воспринимаемая идеальным ветроколесом, может быть вычислена:

(2),

где

F - площадь поверхности, ометаемая ветроколесом

Р - лобовое давление ветра на ветроколесо

- плотность воздуха

- потери скорости ветра в плоскости ветроколеса

Разделив (2) на (1) получим идеальный коэффициент использования энергии ветра:

(3).

В соответствии с Теорией идеального ветроколеса профессора Н.Е.Жуковского[2], максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом .

В соответствии с [2], мощность, развиваемая ветроустановкой, может быть определена по уравнению:

(4);

Для горизонтально-осевых машин:

(5).

Упрощенно выражение (4) можно представить в виде:

, кВт;

откуда коэффициент использования энергии ветра равен:

.

Подставляя данные параметров прототипа, вычислим коэффициент использования энергии ветра прототипом на номинальной для него скорости ветра:

.

В соответствии с [2] у лучших быстроходных колес значение там

доходит до 0,45-0,48.

Второй важнейшей характеристикой осевых ветродвигателей является быстроходность, т.е. отношение окружной скорости конца лопасти:

(9).

В соответствии с определением угловая скорость ветроколеса может быть определена по частоте вращения ветроколеса:

(10);

Частота вращения ВЭУ-16/30 постоянна и равна n=70 об/мин или

n=1,17 об/с, откуда:

 1/с (11).

Тогда коэффициент быстроходности ВЭУ прототипа равен для номинального значения скорости ветра V=9 м/с

(12).

Такой коэффициент быстроходности соответствует [2] ветроустановкам с двумя лопастями, а для трехлопастной электрической установки является завышенным.

3. Расчет основных параметров ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Исходные данные:

1. Среднегодовая скорость ветра, м/с - 5,5;

2. Номинальная (расчетная) скорость ветра, м/с - 8;

3. Номинальная мощность, кВт - 30;

4. Количество лопастей, шт. - 2.

Принимаем коэффициент быстроходности [1,2] Z=7. Диаметр ротора определяем по зависимости скорости ветра и ометаемой площадки:

.

Скорость ветра соответствует скорости ветра определенная заданием на проектирование. Плотность воздуха принимаем . Коэффициент использования энергии ветра для данной ВЭУ принимаем

Для горизонтально-осевых машин ометаемая площадь определяется по формуле:

;

Формула для определения диаметра ротора для ВЭУ имеет вид:

;

Оттуда диаметр ротора равен:

м ;

м.

Определяем величину номинальной угловой скорости:

;

1/c.

В соответствии с определением коэффициента быстроходности - это отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра. Тогда максимальная скорость конца лопасти составит:

м/с.

В соответствии с определением .

Откуда частота вращения ротора ветроколеса равна:

об/c ;

об/мин.

Таким образом для заданных номинальной мощности N=30 кВт и расчетной скорости ветра V=8 м/с, диаметр ротора равен 19 м, номинальная частота вращения ротора n=30 об/мин.

4. Профилирование лопасти ветроколеса

В соответствии с [2,5] принимаем форму лопасти ВЭУ форму трапеции с диаметром комлевого сечения . Максимальный

Радиус или радиус законцовки равен:

м.

Радиус комлевого сечения лопасти равен:

м.

Радиус среднего сечения лопасти равен:

м.

Площадь лопасти:

,м2 .

Длина лопасти:

м.

В соответствии с [1] обозначу площадь всех лопастей через S. Ометаемую площадь ветроколеса через F. Получим коэффициент заполнения ометаемой площади:

.

По данным Г. Х. Софинина [1] КЗ=0,05, отсюда суммарная площадь всех лопастей:

м2 ;

м2.

С другой стороны площадь одной лопасти:

,

откуда ширина лопасти в среднем сечении:

м.

Ширина лопасти в комлевом сечении может принимать значения:

.

Принимая вычисляем ширину лопасти в комлевом сечении:

м.

Поскольку лопасть имеет площадь трапеции можно определить ширину лопасти на диаметре законцовки:

м.

Далее на основании конструктивных соображений и опытных данных продувок определяем толщину профиля лопасти:

- на конце лопасти берут профиль толщиной ;

- по мере приближения втулки к комелю .

Принимаем для расчетов сечения , тогда:

м.

Для профилирования лопасти принимаем форму «инверсия эллипса»

5. Определение углов установки профиля ветроколеса

Для определения направления сил, действующих на элементы лопасти, изобразим ее сечение на рисунке 3, где ось z направлена по оси ветроколеса, и ось х-х - плоскость ее вращения; V - направление скорости относительно потока, набегающего на элемент лопасти.

Сила dR, действующая на элементарную лопасть, раскладывается на две силы: dx, действующая по потоку, и dy, направленная перпендикулярно потоку. Сила dx вызывает сопротивления элемента профиля, dy вызывает окружное усилие элемента профиля и называется подъемной силой.

Вследствие вращения ветроколеса воздушный поток набегает с относительной скоростью W, которая слагается геометрически из скорости ветра V и окружной скорости wr, где r - расстояние элемента лопасти от оси вращения ветроколеса. Скорость потока, набегающего на элемент лопасти будет равна:

;

На основании рисунка 3 имеем:

 - число относительных модулей.

С другой стороны число модулей для любого радиуса Rветроколеса с известной быстроходностью zможет быть выражена:

,

где R - радиус ветроколеса

r - любое текущее значение радиуса ветроколеса.

Как следует из рисунка 3, угол набегания на ветроколесо состоит из угла “установки” лопасти ветроколеса на данном радиусе r, и углом атаки .

Угол атаки профиля по [1] для среднего сечения лопасти

Определим угол набегания потока на среднее сечение ветроколеса:

r=R;

z=7;

;

Тогда угол установки лопасти в среднем сечении мм равен:

;

Тогда

.

Определим угол установки лопасти на радиусе ступицы:

м;

;

.

Определим угол закручивания лопасти на законцовке:

;

;

.

6. Определение мощности развиваемой ВЭУ в зависимости от скорости ветра

Мощность развиваемая ВЭУ зависит от скорости ветра в общем виде определяется по формуле:

,кВт.

Принимая коэффициент использования энергии ветра =0,35=const во всем рабочем диапазоне скоростей ветра и D=19м. Мощность, развиваемая ветроустановкой, будет равна:

,кВт.

Подставляя значения скоростей ветра можно вычислить развиваемую мощность. Минимальная скорость при которой ВЭУ начинает генерировать электрическую энергию для данного типа установок обычно равна Vmin=4м/с,

а максимум соответствует заданной номинальной скорости ветра Vном=8м/с.

Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 1

Результаты расчета мощности ветроустановки

V, м/с	4	5	6	7	8	9
N, кВт	3,89	7,59	13,12	20,83	31,1	44,28



График 1. Зависимости мощности развиваемой ВЭУ от скорости ветра

7. Расчет энерговыработки по градациям по скорости ветра

Расчет энерговыработки ветроустановки выполним в соответствии с рекомендациями [3]. Запишем формулу для определения выработки электроэнергии одной ВЭУ для периода времени T:

,кВт*час

E - объем выработки электрической энергии за время T, кВт*час

KГ - коэффициент технической готовности

КГ=0,96…0,98

КМ - простой по обледенению

КМ=0,96…0,98

N - мощность ветра при скорости ВЭУ i-ой градации

Пi - повторяемость скорости ветра i-ой градации за время T

T - число часов ВЭУ в год с учетом коэффициента готовности и простоя по обледенению.

часов.

График градации скорости ветра по данным метеостанции по данным [6] представленным на рисунке 5.

Таблица 2

Вероятность скорости ветра по градациям (% от общего числа случаев)

V, м/с	4	5	6	7	8	9	10	11
Пi, %	19	16	15	12	11	10	9	8



График градации скорости ветра по данным станции №193

Выработка энергии по одной градации скорости ветра:

, кВт*час

Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 3

Результаты расчета энерговыработки по градациям скорости ветра

V,м/с	3	4	5	6	7	8	9	10
N,кВт	-	3,89	7,59	13,12	20,83	30	30	30
Пi	-	0,19	0,16	0,15	0,12	0,11	0,1	0,09
Ei,кВт*час	-	6092	10009	16220	20602	27200	24726	22253

Объем энерговыработки за год:

,кВт*час

На основании энергорасчета можно вычислить эквивалентную мощность ВЭУ, как отношение годовой выработки электрической энергии ко времени ее работы:

,кВт

Разделив вычисляемое значение эквивалентной мощности ВЭУ на ее номинальную мощность, получим коэффициент использования установкой мощности:

Годовой объем производства электрической энергии с 1м2 составляет:

Полученное значение коэффициента установленной мощности и удельного годового объема производства электрической энергии соответствуют современному уровню электроэнергетики.

Выводы

В результате выполнения эскизного проекта ВЭУ, полученной с установленной мощности 30 кВт при номинальной скорости ветра 8 м/с, были получены основные кинематические и геометрические параметры ветроустановки. Вычислены приведенные характеристики ВЭУ, которые соответствуют ВЭУ - прототипу.

Приложение А

Херсонес, маяк

Месяц	0-1	2-3	4-5	6-7	8-9	10-11	12-13	14-15	16-17	18-20	21-24	25-28	29-34	35-40	>40
1	13,2	13,0	14,7	13,9	10,8	15,0	9,2	5,9	3,0	1,2	0,1
2	10,7	12,9	13,9	13,2	10,6	14,3	11,3	6,8	3,6	2,3	0,4
3	16,6	15,4	13,7	11,6	10,1	12,5	7,7	5,8	3,4	2,8	0,4
4	23,8	19,7	16,2	13,7	8,5	9,2	4,5	1,9	1,5	1,0
5	28,2	23,8	19,1	11,7	6,4	6,8	2,5	0,9	0,4	0,2
6	24,8	26,2	21,3	11,3	7,4	5,2	2,1	1,1	0,5	0,05
7	28,5	26,1	20,9	12,6	5,3	4,9	0,9	0,5	0,2	0,1
8	26,6	24,3	19,4	11,7	7,6	6,5	2,3	0,9	0,5	0,1	0,05	0,05	0,05
9	21,1	22,0	17,3	14,8	8,7	9,0	3,8	1,7	1,0	0,6
10	21,1	18,5	15,0	13,7	8,1	11,7	6,3	3,4	1,5	0,7
11	18,8	18,7	16,6	12,4	8,6	12,2	6,0	3,2	2,4	1,1	0,05
12	16,7	14,7	15,1	13,2	9,9	12,8	8,0	5,1	2,6	1,7	0,2
год	20,9	19,6	16,9	12,9	8,5	9,9	5,4	3,1	1,7	1,0	0,1	0,01	0,004

Приложение В

Литература

1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки, Сельхозиздат, М., 1957.

2. Яхно О.М., Таурин Т.Г., Грабар И.Г. Ветроэнергетика : Конструирование и расчет ВЭУ : Учеб. пособие.-Житомир : ЖГТУ,2002. - 255с.

3. Смирнов С.Б., Софийский И.Ю., Садонов В.А. Преобразование энергии ветра в электрическую энергию: Учеб. пособие. / Под ред. В.А. Сафонова. - Севастополь: СНИЯЭИП, 2004. - 104 с.: ил.

4. Мхитарян Н.М. Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников. Опыт и перспективы. К., Наукова Думка. 1999. 315с.,ил.

5. Сафонов В.А., Белопольский В.А., Смирнов С.Б. Некоторые вопросы конструирования и экстремальных режимов работы ветроэлектроустановок с горизонтальной осью вращения: Учеб. пособие. - Севастополь: СНИЯЭиП, 2004. - 208с.,ил.

6. Выписка из справочника по климаты СССР. Вып. 10. Ветер. Украинская СССР. Часть3., Л. ,1967

Размещено на Allbest.ru