Расчет ветроустановки мощностью 4 кВт для пос. Иволгинск

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ»

 

 

 

 

 

Электротехнический  факультет

 

 

Заочное отделение

 

 

 

 

 

Курсовая  работа по дисциплине

Нетрадиционные  и возобновляемые источники энергии

Расчет ветроустановки мощностью 4 кВт для пос. Иволгинск

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 2 курса  группы 1-ТЭС Котов А.С. Проверил: Намдаков Д.Ж.

 

 

 

 

 

 

 

 

Улан-Удэ 2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА 6

1.1. Мощность, развиваемая ветроколесом 7

2. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА 8

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕТРОУСТАНОВОК 10

4. КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОУСТАНОВОК 12

5. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И МОЩНОСТЬ ВЕТРОУСТАНОВКИ 15

6. МЕТОДИКА ВЫБОРА ВЕТРОУСТАНОВОК ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ 17

7. РАСЧЕТ ВЕТРОУСТАНОВКИ ДЛЯ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 20

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Энергия ветра уже тысячелетиями используется как на суше, так и на море. Первые сведения о древних египетских парусных судах уходят к третьему тысячелетию  до н.э., а расцвет парусного мореходства  приходится на середину прошлого века. На суше ветряные двигатели впервые  появились в Персии, где за счет энергии ветра приводились в  действие водяные насосы для полива. В этих устройствах использовались полотняные паруса на вертикальной оси.

В нескольких районах Европы, сначала во Франции, в XII веке появились ветряные мельницы для размола зерна, у которых ветроколесо устанавливалось на горизонтальной оси. Первая мельница была построена в 1393 году в Германии, откуда пошло распространение в другие страны. В XIV в. голландцы широко использовали ветряные мельницы для осушения болот и озер. В этот же период появились усовершенствованные конструкции мельниц, применение которых продолжалось до середины прошлого столетия. Так, в Дании суммарная мощность этих установок с общим числом более 30 тысяч составляла примерно 200 МВт.

В конце  XIX века в России действовало около 250 тыс. ветряных мельниц общей мощностью примерно 600 МВт. В 1889 г. на ярмарке в Нижнем Новгороде демонстрировались два ветроагрегата мощностью 36,8 кВт каждый. В XX столетии в связи с широким внедрением электричества растет интерес к ветроэлектрическим агрегатам. В период 1890-1908 гг. профессор Лякур разработал более эффективный и быстроходный ветроагрегат для производства электрической энергии. В Асхове ветроколесо диаметром 22,85 м с четырьмя лопастями было установлено на стальной мачте высотой 24,38 м. Установка стала первым примером преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

В США  в 1920-1930-е годы активно разрабатывались  ветроэлектрические агрегаты. Так, компания «Джекобс винд электрик» ввела в конструкцию своих ветроагрегатов два важных усовершенствования: трехлопастный винт, который позволил устранить вибрации, возникающие у двухлопастных винтов, и центробежный шариковый регулятор угла поворота лопастей, обеспечивающий переход их во флюгерное положение при больших скоростях ветра.

В Великобритании в 1920-е годы появился интерес к  ветроэлектрическим установкам небольшой  мощности. Были опубликованы результаты испытаний ветроагрегатов мощностью  от 250 Вт до 10 кВт.

В СССР в 1931 г. был построен самый крупный  в мире ветроагрегат для получения  электроэнергии. Установка мощностью 100 кВт использовалась как дополнительный источник энергии и была включена в сеть тепловой электростанции Севастополя. Ветроагрегат имел трехлопастное ветроколесо  диаметром 30 м. Установка проработала 10 лет, подавая электроэнергию в  Крымскую энергосистему, была разрушена  во время войны в 1942 году.

Первый  этап развития ветроэнергетики в  нашей стране характеризуется в  основном теоретическими исследованиями. Крупнейший русский ученый Н.Е.Жуковский  и его ученики В.П.Ветчинкин, Г.Х.Сабинин, Г.Ф.Проскура и др. создали теоретические  основы расчета ветродвигателей, положившие начало научному развитию ветротехники. В 1930-е годы созданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес, проводились испытания  различных конструкций ветроагрегатов и установок, совершенствовались методы их расчета и проектирования.

В 1950-е  годы с развитием электроэнергетики  и в первую очередь сельской электрификации темпы развития ветроэнергетики  замедлились. Однако с 1975 г. количество эксплуатируемых ветроустановок во многих странах вновь стало расти. Серийно начали выпускаться электрические  ветроагрегаты в Великобритании, Германии, Дании, Канаде, СССР, США, Франции  и других странах. На сегодняшний  день в основном решены технические проблемы преобразования ветровой энергии и доказана возможность развития ветротехники как источника энергии.

В настоящее  время более активно решаются проблемы ветроиспользования, определения  энергоэкономических показателей  ветроустановок, их проектирования и  применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

Воздушный поток, как и всякое движущееся тело, обладает кинетической энергией. Одним  из видов использования кинетической энергии является превращение ее в механическую работу.

Кинетическая  энергия Е_в воздушного потока, имеющего скорость v, определяется по выражению:

 

                                                                                                   (1.1)

где m –  масса движущегося воздушного потока;

                                                                                              (1.2)

где V –  объем массы воздуха, протекающего за секунду через сечение F со скоростью v.

Количество  энергии ветра, протекающего за 1 с  через поперечное сечение:

                                                                                                   (1.3)

Энергия ветра изменяется пропорционально  кубу его скорости и поперечного  сечения.

Отличительным свойством ветра является его  повсеместность. Однако техническое  использование энергии ветра  во многих случаях крайне затруднено из-за низкой плотности воздуха (она  в 800 раз меньше плотности воды). Для  получения значительной мощности необходимо ветроколесо очень больших размеров, т.к. ветроагрегат может преобразовать  только часть потенциальной энергии, определяемой коэффициентом использования  энергии ветра x. При этом частота  вращения ветроколеса должна регулироваться из-за непостоянства скорости ветра  во времени и вырабатываемая мощность, изменяясь пропорционально третьей  степени скорости ветра, будет иметь  большую амплитуду колебаний.

1. Мощность, развиваемая ветроколесом

 

Мощность  эта определяется как кинетическая энергия ветра, действующая в  единицу времени, с учетом коэффициента ее использования:

, Вт                                                                                         (1.4)

где - коэффициент использования энергии ветра.

Поверхность, ометаемая крыльями ветроколеса:

,

где D –  диаметр ветроколеса.

При плотности  воздуха r=1,23кг/м3 мощность, развиваемую ветроколесом, можно определить по выражению

, кВт                                                                           (1.5)

мощность, развиваемая с единицы ометаемой  площади:

, к Вт/ м³                                                                   (1.6)

Таким образом, мощность, развиваемая ветроколесом, определяется ометаемой площадью ветроколеса, скоростью ветра и величиной  коэффициента использования энергии  ветра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

Ветроколесо преобразует в механическую энергию  только часть полной энергии потока. Воздушный поток при прохождении  через поперечное сечение, ометаемое  ветроколесом

Скорость  воздушного потока снижается по мере приближения его к ветроколесу  и на некотором расстоянии за ним. По классической теории, полные потери скорости воздушного потока за ветроколесом в два раза больше, чем потери в плоскости вращения ветроколеса. Вместе с тем давление воздуха  по мере приближения к ветроколесу  повышается, а за ним оно резко  падает, вследствие чего за колесом  образуется некоторое разрежение. Энергия, затраченная на вращение ветроколеса, равна разности кинетической энергии  ветра перед ветроколесом и за ним:

                                                                    (2.1)

где v₂ – скорость воздушного потока за ветроколесом.

С другой стороны, воспринятую ветроколесом энергию можно выразить как произведение силы давления ветра G на скорость потока в плоскости ветроколеса:

.                                                                                                   (2.2)

Отношение энергии, воспринятой ветроколесом, к полной энергии, которой обладает воздушный поток, называется коэффициентом  использования энергии ветра:

=Е_вк/Е_в                                                                                                    (2.3)

Коэффициент использования энергии ветра  зависит от величины потери скорости ветра при прохождении его  через плоскость ветроколеса. Согласно классической теории ветроколеса

                                                                                          (2.4)

Н.Е. Жуковский  для идеального ветроколеса установил  максимальную величину коэффициента использования  энергии ветра x = 0,59 Этот предел может  быть получен при условии:

,

т.е. идеальное  ветроколесо должно работать так, чтобы  потери скорости ветра в плоскости  его вращения составляли 1/3 от поступающей  величины.

В действительности _max значительно меньше, и согласно теории реального ветроколеса, разработанной Г.Х.Сабининым, у лучших быстроходных ветроколес максимальная величина коэффициента _max = 0,45…0,48, у тихоходных - 0,35…0,38. Данный коэффициент в основном зависит от аэродинамических характеристик ветроколеса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕТРОУСТАНОВОК

 

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии  ветроколеса и его положению  относительно направления ветра.

В зависимости  от геометрии ветроколеса ветроустановки бывают тихоходные и быстроходные. Геометрическое заполнение ветроколеса  определяется числом лопастей. Тихоходные (многолопастные) ВЭУ с большим  геометрическим заполнением ветроколеса  развивают значительную мощность при  слабом ветре и небольших оборотах. Быстроходные ВЭУ с малым заполнением  ветроколеса развивают максимальную мощность при больших оборотах ветроколеса.

По направлению  оси вращения ветроколеса относительно воздушного потока ВЭУ подразделяется на горизонтально-осевые и вертикально-осевые.

Ветроустановки  с горизонтальной осью, как правило, крыльчатого или пропеллерного  типа. При этом плоскость вращения ветроколеса перпендикулярна направлению  воздушного потока, а ось параллельна  потоку. Основной вращающей силой  является подъемная сила. Ветроколесо  может располагаться перед опорной  башней или за ней.

В ветроэлектрических установках обычно используется 2- или 3-лопастные ветроколеса, последние  отличаются плавным ходом. Электрогенератор расположен обычно на верху опорной  башни в поворотной головке. Многолопастные ветроколеса, развивающие большой  крутящий момент при слабом ветре, используются для агрегатирования рабочих  машин, не требующих высокой частоты  вращения.

Ветроустановки  с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом  направлении ветра находятся  в рабочем положении, ось вращения ветроколеса перпендикулярна воздушному потоку. Вращающей силой является сила сопротивления, и линейная скорость ветроколеса меньше скорости ветра. В такой ветроэнергетической установке за счет удлинения вала генератор можно расположить внизу башни.