Энергосбережение и нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Примечание - В скобках указана мощность ВЭС первого этапа строительства.                                                

5 Лекция №5. Ветроэнергетические агрегаты и ветроэлектростанции

Содержание лекции:

Ветроэнергетические агрегаты различных конструкций.

Цель  лекции:

- рассмотрение  ветроэнергетических агрегатов  различной конструкции и принципы  их работы. 

Ветровые  двигатели получают энергию от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление  ветру и ветер давит на них  с той же силой, определяемой как  напор – сила по направлению потока как на парус парусной яхты. Лопасти ветроколеса с горизонтальной осью вращения не могут двигаться по направлению ветра и, следовательно,  не могут получить большой пользы от силы напора, используемого в колесах парусного типа с большим количеством лопастей простой формы. При малом количестве лопастей треугольной формы напор используется   только у основания лопасти для облегчения разворота колеса. Основная энергия  2х, 3х, 4х - лопастных ветродвигателей вырабатывается  когда ветер обтекает лопасти как крыло, вызывая тягу так же как возникает подъемная сила крыла самолета. 

Подъемная сила Y является следствием несимметричного обтекания тела газообразной средой и пропорциональна плотности среды квадрату скорости движения среды относительно тела или тела относительно среды, характерной величине площади тела и безразмерному коэффициенту подъемной силы.

где  - площадь ометаемой поверхности лопасти м²;  
 – безразмерный коэффициент подъемной силы.

Согласно теории крыла Жуковского безразмерный коэффициент подъемной силы зависит от формы тела - профиля крыла, его установки в пространстве относительно движущейся среды - угла встречи крыла с потоком воздуха (угол атаки) и свойств  среды – турбулентности. Для тонкого крыловидного профиля угол атаки, когда подъемная сила достигает максимального значения  находится в пределах 5 ÷ 15º. Уменьшение угла атаки ведет к резкому снижению подъемной силы, а увеличение  угла, кроме того, ведет и  к увеличению  силы лобового сопротивления  крыла,  изгибающей крыло или опрокидывающей  ветроагрегат.  

 

       

 

Рисунок 3 - Ветроэнергетические агрегаты с  горизонтальным расположением оси

 

 

 Чем длиннее лопасть  или больше ее площадь S, тем больше количество ветра и его энергии она может переработать. Точно так же, чем больше скорость ветра, тем больше количество энергии передается лопасти вращения ветроколеса, устанавливаемого перпендикулярно направлению ветра.

В ветроагрегатах с малым количеством лопастей в основном  используется «подъемная сила»,  в многолопастных  - сила напора.

 

где  – безразмерный коэффициент преобразования напора или коэффициент лобового сопротивления.

Подъемная сила и сила лобового сопротивления  зависят от коэффициентов подъемной силы  и коэффициента лобового сопротивления , которые, в свою очередь, зависят от примененного в лопасти профиля и угла атаки , под которым поток ударяет в лопасть рисунок 4.

Линия хорды самая длинная линия в сечении профиля, соединяющая носок и заднюю кромку.

Рисунок 4 – Режим работа крыловидного профиля лопасти 

 

Угол атаки α - это угол между вектором набегания потока и хордой лопасти.

Причины, влияющие на коэффициент  использования энергии ветра (КИЭВ)

Рисунок 5 

 

1 причина – воздушный поток  огибает ветряк.  Максимальный КИЭВ, который можно получить равен  0,593 от мощности ветрового потока. Чтобы получить такую мощность необходимо затормозить поток до 1/3 первоначальной скорости

2 причина – потеря мощности  на вращение отходящего воздуха.  Потери на вращение отходящего воздуха будут наибольшими у тихоходных ветряков.

3 причина - в ветряках с небольшим  количеством лопастей ветер предпочитает  пройти мимо лопастей

4 причина – падение движущей  окружной силы, которая зависит  от аэродинамического качества  лопастей. Это сильнее сказывается для быстроходных пропеллеров, где вектор подъемной силы отклоняется больше всего от направления движения лопасти.

Если лопастей мало и они сильно нагружены, ветер проходит мимо и  теряется для ветряка.

Одним из основных показателей ветроэнергетики является установленная мощность ветроэнергетических агрегатов:  в   80-е годы она составляла 100-200 кВт, в конце 80-х - середине 90-х годов мощность  агрегатов промышленных станций увеличилась до 300 - 350 кВт. Сейчас  Многоагрегатные ветростанции  комплектуются агрегатами мощностью от  600 до 4500кВт.

Чем больше мощность ветроагрегата, тем  больше его высота и диаметр ветроколеса.  Из рисунка  следует, что высота башни должна быть не менее 5-10 метров, так как, начиная с этой  высоты имеется ветер необходимый для работы станции.

Как следует из рисунка, при увеличении мощности ВЭУ частота вращения ее ротора снижается.

 
 По номинальной мощности ВЭУ  разделяют на установки малой, средней  и большой мощности.

 
Рисунок 6 - а) зависимость высоты башни от мощности ветроагрегата; б) зависимость частоты вращения ротора от мощности ветроагрегата 

 

Маломощные установки используются преимущественно для выработки  электроэнергии индивидуальным  потребителям (до 10 кВт). Как видно из графиков ВЭУ малой мощности имеют большую частоту вращения ротора в пределах 800-200 оборотов в минуту и высоту башни в пределах 5 –15 метров,     ВЭУ средней мощности имеют частоту вращения ротора в пределах 170-50 оборотов в минуту и  высоту башни в пределах 17 –30 метров.

Установки большой мощности 600 – 4500 кВт используются для выработки электроэнергии в крупном промышленном масштабе. Они имеют частоту вращения ротора в пределах 50-15 оборотов в минуту и высокую башню в пределах 30 –80 метров.

Ветроэнергетические агрегаты малой  мощности выпускаются во многих странах для питания автономных объектов. Количество вырабатываемой  ими энергии не регистрируются, поэтому не известен реальный коэффициент использования установленной мощности их генераторов, а также энергии воздушного потока. Общим признаком всех приведенных ВЭС является наличие аэродинамических рулей для установки колеса на ветер и вывод ветроколеса из работы  при скоростях ветра выше 12 – 15 м/с.

Форма, конструкция и место расположения аэродинамических рулей  для постановки ветровых колес перпендикулярно непрерывно меняющемуся направлению ветра  являются наиболее сложными элементами ВЭС.

Ветроэнергетические агрегаты с установленной  мощностью генераторов 100 – 4500 кВт  изготавливаются для выработки  электроэнергии в местные электрические сети или в мощные энергетические системы. Постановка ветровых турбин большой мощности на ветер осуществляется посредством специальных механизмов  с электрическим или гидравлическим приводом, потребляющим энергию, вырабатываемую самой станцией или забираемой из электрической системы, в которую включены другие электростанции.  Для поддержания эксплуатационных параметров агрегатов применяются тонкие компьютерные системы ориентирования ветроколеса и отдельных лопастей в соответствии с направлением и скоростью воздушных течений

Наиболее благоприятной территорией  для размещения пропеллерных  ВЭС, принимающих ветер только с одной стороны, являются побережья  океанов и морей, где ветер имеет преимущественно одно направление и незначительное «блуждание» направления в пределах  ±35¸45⁰.  В этих условиях устанавливаются многоагрегатные  ветростанции «ВЕТРОПАРКИ», где коэффициент использования установленной агрегатов мощности (КИУМ)  ВЭС  достигает  16-20%. Однако, когда ветер имеет двухвекторную  или многовекторную розы ветров, типичные для континентальных районов, КИУМ   и производительность ВЭС  снижается более чем в два раза.

Сила напора при конструировании  ветроагрегатов в чистом виде не используется. Ее действие реализуется в многолопастных ветродвигателях малой мощности в комбинации с подъемной силой крыла. Она также как и подъемная сила зависит от угла установки лопасти относительно вектора скорости ветра    и достигает максимума при угле атаки    α.= 45º . 

Как было показано ранее, ветер обладает двумя главными характеристиками: скорость и направление. Одновременно он может создавать динамический напор и подъемную силу. Для повышения экономических показателей ветроэнергетики необходимо, чтобы энергия ветра полностью использовалась при любых изменениях  его скорости и направления. Этими свойствами обладают  ветроагрегаты с вертикальным расположением оси вращения ветроколеса, таких как турбина Дарье и вертикально -  осевая турбина с направляющим аппаратом (рисунок 7).

Вертикально – осевая ветровая турбина  состоит из внешней неподвижной части – статора и  расположенного внутри него вращающегося ротора, лопатки которого, образуют активную и реактивную ступени турбины. Направляющий аппарат имеет определяемое  расчетом количество пластин. Ротор турбины содержит определенное количество выпукло-вогнутых лопаток, равномерно расположенных по окружности.

При обтекании профиля лопатки  на нем возникают различные давления: у выпуклой поверхности возникает  разрежение – подъемная сила, а  у вогнутой – избыточное давление - напор.  Действующие одновременно оба эти явления вызывают силу, перемещающую лопатку и вращающую ротор.

Диффузорная конфигурация межлопаточного пространства ротора и пространства между пластинами направляющего аппарата способствуют удалению из турбины отработавшего воздуха и повышению коэффициента использования его энергии.

Оптимальное число лопаток рабочего колеса определяется  по соответствующей  методике.

                                 

 

 

             а)                                                           б)                                                      

Рисунок 7 - Вертикально – осевая ветровая турбина: а) Общий вид турбины;  б) - Сечение турбины по горизонтальной поверхности 

 

Направляющий аппарат содержит 12 пластин,  роторы имеют, например,  18 лопаток (б). Геометрические параметры  ротора – внешний - D₁ и внутренний D₂  диаметры ротора находятся в соотношении D₁/D₂=1,2¸1,45.

Необходимый конструктивный элемент  ВОВТ, влияющий на динамические характеристики агрегата, предназначенный для усиления ветрового потока на роторе – это направляющий аппарат.

Направляющий аппарат концентрирует  воздушный поток и направляет его на лопатки ротора, обеспечивает использование энергии порывов  и шквалов. Одновременно в 1,5 – 1,6 раз  увеличивается  частота вращения ротора и развиваемая турбиной мощность.

Высота ротора ветровой турбины  является параметром, определяющим ее мощность и для увеличения мощности турбины кроме увеличения диаметра необходимо  увеличивать высоту. Высоту турбины ограничивает устойчивость и прочность лопаток, создающих  тяговое усилие и действие  центробежных сил.  Поэтому здесь реализуется принцип построения турбины из отдельных модулей  - статор  - ротор, а  для повышения прочности ротора  внутри него устанавливаются дистанционные диски через расстояния, в пределах 0,5¸1,6 его диаметра.

Высота многомодульных ВЭА равна  общей высоте установленных друг на друга модулей и основания, в котором  размещается электрогенератор.

Мощность ВОВТ формируется по двум направлениям: изменение диаметра турбины, высоты  и числа модулей.

Ветростанции с вертикально  – осевыми турбинами обладают  рядом преимуществ по сравнению с пропеллерными:

- используют напор ветра и  подъемную силу, формирующиеся на  профиле лопаток ротора;

-.не имеют  зависимости  развиваемой мощности от направления  ветра;

- способны  работать на порывистых и ураганных ветрах;

- имеют  направляющий аппарат, увеличивающий удельную мощность ротора в 2- 2, 5 раза по сравнению с открытым ротором; 

-генератор находится внизу установки,  что удобно при монтаже и техническом обслуживании;

- имеется возможность изменения  мощности ветровой турбины и  генератора без изменения конфигурации  установленной ВЭС. 

Электрические  генераторы, входящие в состав ВЭС с вертикально осевыми турбинами выдают постоянное напряжение при изменяющейся в широких пределах частоте вращения ротора и развивают мощность, соответствующую скорости ветра. Разработанная в АИЭС система  автоматического управления генератором и нагрузкой ветроэлектростанции позволяет получить высокое значение коэффициента использования установленной мощности ВЭС. 

Возможность реализации энергии порывов  и накопления ее для последующего использования обеспечивается новыми типами аккумуляторных батарей, скорость восприятия энергии которыми составляет 0,5% емкости в секунду.  

 

6 Лекция №6. Энергия Солнца. Солнечное электричество

Содержание лекции: