Меню

Как определяется мощность ветроэнергетической установки

Ветроустановки-вопросы и ответы.Скорость,мощность,энергия,квт-ч ветроустановки

Очень большое прототип ветровой турбины по REpower и Enercon на тестовом поле в Cuxhaven

Очень большое прототип ветровой турбины по REpower и Enercon на тестовом поле в Cuxhaven

ЧТО ТАКОЕ ВЕТРОУСТАНОВКА И КАК ОНА РАБОТАЕТ?

Ветроустановка (ВЭУ) преобразует кинетическую энергию ветра в механическую или электрическую энергию, удобную для практического использования. Механическая энергия, главным образом, используется для подъема воды в сельских или удаленных местностях. Ветроэнергетические установки производят электрическую энергию для бытовых или промышленных нужд.

Существуют два основных вида установок: ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95 % всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем (рис. 1 и рис. 2).

Ветроустановка включает следующие основные подсистемы и узлы:
ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала;

кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор (некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы;

башню, которая поддерживает ротор и кабину;

электрическое и электронное оборудование ветроустановки: также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления и оборудование для подключения к сети, система молниезащиты и др.
Диаметр ротора ВЭУ по мере возрастания мощности ветроустановки от 1 до 3000 000 Вт увеличивается от 2 до 100 м, а высота башни — от 8 до 100 м. Для ветроустановки мощностью выше 150 000 Вт диаметр ротора и высота башни примерно равны.[adsense_id=»1″]

КАКОЕ КОЛИЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ МОЖЕТ ДАТЬ ОДНА ВЕТРОУСТАНОВКА?

Способность генерировать мощность измеряется в «ваттах». Ватт — очень малая единица, для измерения мощностей используются киловатты (1000 Вт) и мегаватты (1 млн. ватт) и гигаватгы (1 млрд. Вт). Потребление электрической энергии повсеместно измеряется в киловатт-часах(кВт-ч). 1 кВт-ч означает 1 000 Вт мощности, используемой в течение 1 часа.
Пример. Одна 100-ваттная лампа, включенная в течение10 часов потребляет 1 кВт-ч электроэнергии.Энергия, производимая ветроустановкой, зависит от диаметра ротора и скорости ветра, проходящего через него.
Производимые в настоящее время ветроустановки имеют номинальную мощность от 40 Вт до 3000 000 Вт.
В городах российская семья в год потребляет 2000—3000 кВт-ч электроэнергии, а в деревнях и того меньше —
500 — 800 кВт-ч. Сравните с электропотреблением среднего американского домовладельца — 9400 кВт-ч. А что может дать ветроустановка?
Ветроустановка мощностью 10 000 Вт может произвести около 16 МВт-ч, а мощностью 600 кВт — 1300 000 кВт-ч
в год.

Скорость ветра— важнейший элемент в проектировании и использовании ветроустановки. В общем случае при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м (на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры — приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств. Для ветроустановок. подключенных к сетям энергосистемы, приемлемой минимальной скоростью является 6 м/с. Главное правило
состоит в том. что возможная вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра
ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз.Даже небольшое увеличение скорости ветра приводит к значительному увеличению мощности. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44 % большую, чем при скорости 5 м/с.Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора — это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.
Формула мощности ВЭУ. кВт, выглядит следующим образом:

где р = 1,22 кг/м3 — плотность воздуха (стандартная); D, м -диаметр ротора; и, м/с — скорость ветра; ЛР — коэффициенты полезного действия генератора (-0,95) и редуктора (-0,9); Ср — коэффициент использования ветра, зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, наибольшее значение которого равно 0,593, достигнутые значения коэффициента — 0,4 — 0.45: π = 3,14.[adsense_id=»1″]

СКОЛЬКО ВЕТРОУСТАНОВОК НУЖНО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 1 МВт мощности?

Большинство производителей ветроустановок. подключенных к энергосистемам, выпускают ветротурбины единичной мощности 250 — 750 кВт. Для ветростанции в 1 МВт нужно 4 ветротурбины мощностью 250 кВт. Если применяются турбины мощностью 500 кВт, то достаточно двух. К концу 2000 г. средняя единичная мощность ВЭУ достигнет 1 МВт.

ЧТО ТАКОЕ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ?

Наиболее экономически выгодное применение ВЭУ имеет место, если они объединены в группы. Их и называют ветроэлектрическими станциями (ВЭС), а за рубежом «ветровыми фермами». Мощность ВЭС колеблется от сотен киловатт до сотен мегаватт. Ветровые электростанции можно подстраивать под данную ситуацию. Количество ВЭУ можно увеличивать, если потребность возрастает. Сегодня ветростанция мощностью в 50 МВт может быть построена за 18 мес., включая оценку ресурсов.

Читайте также:  Насос погружной малой мощности центробежный

МОЖЕТ ЛИ ВЕТРОСТАНЦИЯ РАБОТАТЬ БЕЗ СВЯЗИ С ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ?

Нет, не может. Ветроустановки большой мощности не предназначены для автономной работы и параллельной работы друг с другом. Поэтому, как только отключается линия электропередачи (ЛЭП), связывающая ветростанцию с энергосистемой, останавливаются и ветроустановки ВЭС. Что же делать? Нужно при проектировании обеспечивать надежную связь с энергосистемой — лучше всего двумя ЛЭП с разных точек энергосистемы. Л для одиночных ветроустановок и небольших ВЭС. питающих определенную нагрузку — нужно иметь резервный источник электроснабжения (дизель-генератор).

ЧТО ТАКОЕ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ?

Коэффициент использования установленной мощности один из параметров, дающих представление об эффективности работы ветростанции или любою другого генерирующего источника.
Это отношение средней выработки генерирующего устройства к максимально возможной.Наибольшее количество современных ВЭУ. подключенных к энергосистеме, работают с коэффициентом использования
установленной мощности от 25 до 35 %. Электростанции на не возобновляемых источниках энергии работают с коэффициентом мощности от 40 до 80 %.

ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСТАНОВЛЕННОЙ МОЩНОСТИ?

Коэффициент использования установленной мощности любого генерирующего источника зависит от его надежности,
графика нагрузки (не всегда требуется максимальная мощность), необходимость его остановок для профилактических
и капитальных ремонтов. А у ветроустановки этот коэффициент еще зависит от наличия ветра и его скорости. Вот почему коэффициент использования установленной мощности ветроустановок существенно меньше, чем у других генераторов. Хотя лучшие ветроустановки в хороших ветровых условиях работают с коэффициентом 0,5.

В ЧЕМ НЕДОСТАТКИ И В ЧЕМ ДОСТОИНСТВА ВЕТРОУСТАНОВОК?

О недостатках ветроустановок уже упоминалось: ветер обычно не постоянен и мощность, вырабатываемая ветроустановкой, все время меняется, возникает дополнительная задача для энергосистемы по регулированию частоты и мощности;

нет ветра, нет и энергии, а именно в это время она нужнее всего, значит, необходим резервный источник (для небольших мощностей — аккумулятор);
без связи с энергосистемой ВЭС работать не может, а в ветро-дизельных станциях нужны специальные системы управления. обеспечивающие параллельную работу ВЭУ и дизель-генераторов;

сравнительно мал коэффициент использования установленной мощности;
довольно высокая удельная стоимость установленной мощности.
Но есть и достоинства ветроустановок и немалые:
не требуется топлива — это главное преимущество;

предотвращается эмиссия СО2 и других твердых и вредных газообразных выбросов, что имеет место на всех электростанциях, использующих органическое топливо;

для работы ВЭС не требуется вода и воздух, которые в огромных количествах потребляются на тепловых электростанциях;

территория, на которой располагаются ветроустановка либо непригодна для хозяйственного использования, либо может использоваться для животноводства и растениеводства, т.е. отчуждение плодородных земель намного меньше, чем на ГЭС и ТЭЦ;
возможность полной автоматизации работы, отсутствие дежурного персонала;
короткий срок сооружения от подписания контракта до окончания монтажа. Можно за 18 мес. построить ВЭС мощностью 50 МВт и дальнейшее расширение станции осуществляется без проблем;
простая технология работы станции. После пуска первой ветроустановки станция начинает вырабатывать энергию, кроме электрических — никаких зависимостей по топливу и режиму между ветроустановками нет.

Источник

Пример расчета параметров ветроэнергетической установки для потребителя малой мощности

Рубрика: Спецвыпуск

Дата публикации: 19.12.2016 2016-12-19

Статья просмотрена: 5526 раз

Библиографическое описание:

Аубакиров, Р. Д. Пример расчета параметров ветроэнергетической установки для потребителя малой мощности / Р. Д. Аубакиров, А. О. Вирайло, Е. В. Гаврилович. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 28.2 (132.2). — С. 1-7. — URL: https://moluch.ru/archive/132/36967/ (дата обращения: 19.03.2021).

Определить пик промышленного потребителя энергии не представляет сложности, т.к. изначально известны мощность и график работы каждой единицы оборудования. Вычисление графика потребления и пика мощности частного потребителя энергии может быть проведено с той или иной вероятностью или прогнозированием в связи с непредсказуемостью графика энергозатрат. В связи с этим задача решается всегда индивидуально с соответствующими допущениями и приближениями.

Методика расчета

1. Расчет пиковой мощности. Определить в соответствии с руководством по эксплуатации мощность каждого прибора Pi (Вт), который может быть использован на исследуемом объекте и занести в таблицу. Определить с соответствующими допущениями простую вероятность включения прибора в различное время суток и отметить это в таблице, проставляя мгновенную потребляемую мощность утром, днем, вечером и ночью. Сложить данные столбцов мгновенной мощности Pi и получить пиковую мощность энергопотребления PП в конкретное время суток – утром, днем, вечером, ночью (Pу, Pд, Pв, Pн). Пример показан в таблице 1.1. Эти данные используются впоследствии для расчета номинальной мощности инвертора PИ.

Читайте также:  Как найти мощность трехфазной цепи переменного тока

(1.1)

Из практики известно, что реальная пиковая мощность подавляющего большинства объектов в конкретное время суток меньше суммы всех мощностей находящихся на объекте приборов, поскольку все электроприборы, как правило, не включаются одновременно. Тем не менее, могут быть исключения, которые должны приниматься во внимание разработчиком. При проведении расчетов допускается формальное увеличение пиковой мощности в конкретное время суток с целью создания «запаса» по мощности и прогнозирования увеличения энергопотребления в будущем.

2. Расчет потребляемой энергии. Определить с соответствующими допущениями время работы каждого прибора в конкретное время суток и занести данные в таблицу. Сложить данные столбцов «утро-день-вечер-ночь» для каждого электроприбора и умножить полученное значение на мощность прибора, получив энергопотребление каждого прибора за сутки. Сумма энергопотребления всех приборов Eсут будет являться количеством энергии, потребляемой объектом в сутки:

(1.2)

Эти данные используются впоследствии для расчета номинальной мощности ветроэнергетической установки и аккумуляторных батарей.

Мощность электроприборов и мгновенная потребляемая мощность

Электроприбор

Установленная мощность Pi, Вт

Мгновенная потребляемая мощность Pi, Вт

Источник



Ветроэнергетика. Мощность ветроэнергетических установок.

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии, как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Известно, что при скорости ветра u, м/с, и плотности воздуха р, кг/м3, ветроколесо, ометающее площадь F, м 2 развивает мощность Р, Вт, пределяемую P = ξFρu 3 /2. Здесь ξ – коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и принимаемый равным 0,35.

Из формулы видно, что мощность Р пропорциональна ометаемой площади F и кубу скорости. Коэффициент мощности зазависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра. Так как скорость ветра непостоянна, а мощность очень сильно зависит от скорости, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии. Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна плотности воздуха и кубу средней скорости. Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м 2 ометаемой площади мощность — порядка 300 Вт при значении ξ от 0,3 до 0,45. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 22 – 30% его максимального проектного значения. Срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15 – 20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долл. США за 1 кВт проектной мощности.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок — обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5 – 10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с очень большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 10 7 циклов за 20 лет эксплуатации).

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих, или синоптических, закономерностей многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами. Скорость ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7 10 21 Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно рассеивается, при этом рассеиваемая мощность — порядка 1,2 10 15 Вт, что равно примерно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.

Для анализа ветроэнергетического потенциала местности составляется ветроэнергетический кадастр, который представляет собой районированную систему численных характеристик режима ветра. Вэтроэнергетический кадастр – это совокупность объективно достоверных и необходимых количественных сведений, характеризующих ветер как источник энергии. В кадастре все характеристики обычно представлены в табличной или графической форме, используя материалы многолетних наблюдений.

Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована в энергетике, вряд ли возможно, так как эта оценка очень сильно зависит от уровня развития ветроэнергетики и ее потребителей. Тем не менее, официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например, в Великобритании и Западной Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20%. При определенных изменениях инфраструктуры доля ветроэнергетики может быть существенно большей. Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдаленных районах и на островах. Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.

Читайте также:  Сборка усилителя мощности с алиэкспресс

Цель работы Изучение методики определения ветроэнергетического потенциала местности. Получение навыков расчета энергетических параметров ветра.

В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно. При сильном ветре, от 10 до 12 м/c, ветроустановки вырабатывают достаточно электроэнергии, которую иногда даже приходится сбрасывать в систему или запасать. Трудности возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра. Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью 8 м/с – очень хорошими. Но независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановок применительно к местным метеоусловиям.

1. Описание методики измерений и расчетов

Для проведения анализа ветроэнеретического потенциала требуется предварительно проводить в течение года ежедневные 5-ти кратные измерения скорости ветра с равными промежутками времени: в 9 ч, 12 ч, 15 ч, 18 ч и в 21ч.

В данной лабораторной работе используется база данных метеоизмерений, полученная для системы оптимизации теплопотребления главного корпуса ОГАУ. Измерения проводились ежедневно в течение одного года с интервалом 3 часа.

Порядок обработки результатов измерений следующий.

1. Результаты измерений скорости ветра u1, м/c, объединяются в группы с интервалом Δu. Общее число измерений N = 2912.

2. Поскольку измерения скорости проводились на высоте h1 = 2м, а для оценки энергетического потенциала нужна скорость ветра u, м/с, на высоте предполагаемой установки ветротурбин h, определение скорости ветра на высоте h выполняется с помощью известной аппроксимационной зависимости

u = u1( h / h1 ) 1/5 (1.1)

где h принимается равной 100 м.

3. Определяется величина вероятностного распределения скорости ветра

где Nui – число измерений в i-ом скоростном интервале.

Строится зависимость Фu=f(u). Произведение ФuΔu может быть интерпретировано как часть времени года, в течение которого скорость ветра имеет значения, заключенные _в интервале от u до u+Δu.

4. Среднее значение скорости ветра uc, м/с, определяется соотношением

где Σ ui – сумма всех измеренных значений скорости.

5. Определяется вероятность Фu>u’ появления ветра со скоростью u, большей некоторой заданной скорости u’, для чего складываются вероятности всех скоростных интервалов, в которых u > u’.

Вероятность Фu>u’ может быть интерпретирована как часть времени года, в течение которого ветры дуют со скоростью, большей u’.

Строится зависимость Фu>u’ =f(u).

6. Мощность ветрового потока единичного сечения Pu, Вт определяется

где ρ – плотность воздуха, принимается равной 1,3 кг/м3.

Произведение P Фu представляет собой функцию распределения энергии ветра.

Строится зависимость P Фu =f(u).

7. Строится зависимость Pu = f(Фu>u’), позволяющая определить вероятность ожидания ветрового потока заданной мощности.

Все данные измерений и расчетов заносятся в таблицу и обрабатываются в EXCEL. В таблице 1.1 частично представлены результаты измерений и расчетов.

После выполнения обработки измерений и расчетов необходим провести анализ полученных результатов.

Статистический анализ результатов измерений скорости ветра г. Оренбурга

2. Анализ полученных результатов

1. Пользуясь построенной зависимостью Фu=f(u), необходимо сравнить

среднее значение скорости ветра с наиболее вероятным значением скорости ветра в данной местности, а также с расчетной скоростью, принимаемой для проектирования ВЭУ (и = 10 – 12 м/с).

2. Пользуясь построенной зависимостью P Фu =f(u), определить значение скорости при которой функция распределения энергии ветра имеет максимум и сравнить его с наиболее вероятным значением скорости ветра в данной местности.

3. Пользуясь построенной зависимостью Pu = f(Фu>u’), определить вероятность ожидания ветрового потока мощностью 0,5; 1 и 2 кВт.

4. По результатам проведенного анализа сделать выводы и составить

| следующая лекция ==>
Декабрист в повседневной жизни 7 страница | Конструкции и принцип работы основных узлов и агрегатов: многолопастных ветродвигателей, малолопастных (быстроходных) ветродвигателей.

Дата добавления: 2016-03-15 ; просмотров: 3008 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник