Эко-бюллетень ИнЭкААрхив№5 (136) > АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Выбор мощности ветроэнергетической установки (ВЭУ)

Проблема обеспечения энергией во всем мире является чрезвычайно важной ввиду отсутствия во многих странах природных запасов углеводородного сырья и ограниченности этих запасов у стран, имеющих такие запасы. В таких условиях все в большей степени возрастает интерес к возобновляемым источникам энергии, и в том числе использованию энергии воздушного потока.

В.В.Сыркин,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой прикладной механики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СИБАДИ)

В.С. Шалаев,

генеральный директор ИНТЦ СИБАДИ

В.А. Трейер,

зам. генерального директора ИНТЦ СИБАДИ

ГОСТЬ НОМЕРА:
ШАЛАЕВ Вячеслав Степанович,
закончил c отличием Московский авиационный институт в 1968 году. В последующие годы работал на различных должностях в авиационной промышленности от инженера-технолога до директора завода. В 1990 году под его руководством было создано государственное опытно-конструкторское бюро «Авиационный научно-технический комплекс «КРЫЛО». Коллектив АНТК «КРЫЛО» вел научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в области аэростатических летательных аппаратов и возобновляемых источников энергии. В частности, разработан и изготовлен опытный образец ветроэнергетической установки с вертикальным расположением оси ветроколеса и лопастями, имеющими поперечный профиль в виде крыла, данная конструкция защищена патентом РФ. В настоящее время Вячеслав Степанович работает генеральным директором Инновационного научно-технического центра СИБАДИ, имеет ряд публикаций и патентов в области возобновляемых источников энергии и аэростатической техники.

История использования человеком энергии ветра относится к глубокой древности. Впервые энергия ветра была использована для передвижения парусных судов, а позднее — также для подъема воды и размола зерна. Первые ветряные двигатели, по предположению — с вертикальной осью вращения, были построены более двух тысяч лет назад. Вавилоняне еще до нашей эры использовали их для осушения болот. В Египте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъемники и мельницы. До настоящего времени в некоторых странах бассейна Средиземного моря можно встретить ветряные мельницы с крыльями, имеющими поперечные паруса. Российская ветроэнергетика связана с именем Н.Е.Жуковского и его школой, которой была разработана теория идеального и реального ветродвигателей, были созданы аэродинамические профили лопастей ветроколес, проводились испытания различных конструкций ветроколес и установок, совершенствовались методы их расчета и проектирования.

Среди различных исследований в области ветроэнергетики можно выделить исследования, посвященные обоснованию эффективности использования ВЭУ.

В настоящее время разработано большое количество различных ВЭУ.

Существует несколько типов классификаций ВЭУ.

В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению ветрового потока, ВЭУ могут быть классифицированы по следующим типам :

  • с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока (рис. 1 а);
  • с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока (рис. 1 в, г);
  • с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока (рис. 1 б).

Наиболее распространенными являются ВЭУ первых двух типов.

По существующим конструкциям ВЭУ в России и за рубежом можно привести следующее (табл. 1).

Таблица 1
ВК с горизонтальной осью вращения, параллельной ветровому потоку ВК с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока
43,9 % 8,7 %
Примечание — в процентах от общего количества ВЭУ в базе данных

Вращающий момент на ВК может создаваться силой, возникающей при обтекании лопасти ВК потоком ветра (подъемной силой) (рис. 1 а, г), или силой сопротивления (рис. 1 б, в) . Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, т. к. они могут развивать в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления.

Наибольшее распространение получили крыль-чатые ветроколеса (ВК) с горизонтальной осью вращения (рис. 1 а) (на них приходится около 95% всех эксплуатируемых ВЭУ) ввиду достаточно высокого коэффициента использования энергии ветра. Для создания ВЭУ необходима разработка методики выбора параметров и методов расчета с учетом региональных условий эксплуатации.

Определение оптимальных параметров ветроуста-новок (ВЭУ) связано с определением необходимой мощности ВЭУ и учетом региональных условий эксплуатации.

В зависимости от мощности различают следующие классы ВЭУ: мини-ВЭУ (до 10 кВт); ВЭУ малой мощности (от 10 до 100 кВт); ВЭУ средней мощности (от 100 до 500 кВт); мощные ВЭУ (500 кВт и более).

В силу ряда метеорологических факторов, а также вследствие влияния рельефных условий, непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются случайно. Поэтому выработка электроэнергии ветродвигателем производится непостоянно.

Это приводит к необходимости применения дополнительных устройств, позволяющих восполнить недостаток энергии ветра.

На мини-ВЭУ в качестве таких устройств могут служить аккумуляторные батареи, на ВЭУ малой и средней мощности могут быть использованы резервные тепловые и другого рода первичные двигатели, из которых в настоящее время применяются преимущественно дизельные. Для более мощных ВЭУ резервом, восполняющим недостаток мощности, является та энергосистема, параллельно с которой предполагается работа ВЭУ.

Рассмотрим выбор мощности ВЭУ для ветровых условий Омской области.

В качестве примера расчета ветроколеса (ВК) возьмем ВК ВЭУ «ДиВ-5Э», спроектированное и изготовленное в ЗАО НПФ «ДиВ» в 2003 г. (рис. 2).

Монтаж ВК был произведен летом 2004 г. в р.п Русская Поляна Омской области (рис. 3).

ВК имеет следующие параметры:

Важной характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, является вертикальный профиль ветра, т. е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние земной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а ускорение и порывистость потока снижаются.

Скорость ветра vh на высоте может быть определена по формуле:

где Vh — скорость ветра на высоте h>5 ветра на высоте 10м;

Используя данные измерений среднемесячных и среднегодовых скоростей ветра для г. Омска, можно найти зависимости соответствующих скоростей ветра от высоты h (рис. 4) .

По форме кривых, построенных для Омской области, видно, что наибольшей повторяемостью обладают ветра со скоростями 1...4 м/с.

С увеличением скорости ветра мощность ветрового потока возрастает пропорционально кубу скорости. При этом одновременно у меньшается повторяемость таких скоростей. Поэтому более объективной характеристикой ветрового потока будет невеличина v3,a произведение (рис. 5).

Область скоростей 2.5 м/с обладает вполне достаточным энергетическим потенциалом, хотя и более низким, чем при v > 5 м/с. Однако, она включает в себя наиболее повторяющиеся скорости ветра.

Известно, что для эффективного использования энергии ветра в зоне установки ветродвигателей необходимо иметь высокие значения среднегодовой скорости ветра и соответствующую повторяемость его режимов, а также возможно меньшие вариации скоростей ветра и их направлений. Важно, чтобы скорости ветра различных градаций были более равномерно распределены на протяжении всего года, а вероятность буревых скоростей ветра была бы меньшей (в этом случае уменьшается вероятность периодов длительных энергетических затиший). Кроме того, желательно, чтобы не было часто повторяющихся больших скоростей ветра (иначе агрегат нужно делать более прочным, что повысит затраты на его изготовление).

Таким образом, для Омской области среднегодовые значения скорости ветра для указанных районов составляют 3...3,7 м/с. Среднемесячные вариации значений скоростей незначительны. По форме кривых повторяемости скоростей ветра наибольшей повторяемостью обладают ветра со скоростями 1.4 м/с. Вероятность возникновения буревых скоростей очень мала, что является большим преимуществом для работы ВЭУ.

Из рассмотренного выше можно сделать вывод о том, что Омская область обладает достаточным ветроэнергетическим потенциалом для использования ветродвигателей небольшой мощности (до 5...6 кВт), применение которых экономически оправдано в зонах, имеющих скорости ветра более 3,5.4 м/с.

Текущее значение коэффициента использования энергии ветра рассчитаем по данным измерений полной электрической мощности для ВЭУ «ДиВ-5» (рис. 6, табл.2):

где Рвк — мощность на ВК.

Таблица 2
Скорость ветра, м/с 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0
Полная электрическая мощность, кВт 5,88 6,45 6,6 7,04 7,65 7,82 7,99 8,16 8,33
Мощность ветрового потока, кВт 27,95 33,53 39,80 46,81 54,60 63,20 72,67 83,04 94,34
Коэффициент использования энергии ветра 0,21 0,19 0,16 0,15 0,14 0,12 0,11 0,10 0,09

Найдем значение годовой мощности, вырабатываемой ВЭУ с рассматриваемой конструкцией ВК (значения коэффициентов кэ, кс, kq примем равными 1). 13635 кВт ч (реальное значение годовой мощности для рассматриваемой ВЭУ значительно выше, т. к. в конструкции ВК «ДиВ-5Э» предусмотрен угол установки лопасти, равный 3о, что существенно увеличивает значение коэффициента использования энергии ветра).

Определение оптимальной мощности ВЭС проводилось на основе стоимостного анализа. В качестве критерия принималась суммарная стоимость ВЭС, состоящая из ряда ВЭУ и устройств сопряжения. Варьируемым параметром при оптимизации принималась мощность ВЭУ, входящая в ВЭС.

 
ПОИСК ПО САЙТУ
© 2001-2017 ООО «ИнЭкА-консалтинг»
Контакты ИнЭкА:
+7 3843 720575
720579
720580
ineca@ineca.ru
создание сайтов