Лещенко І. Г. Розрахункові параметри вітроенергетичних установок, які працюють при помірних швидкостях вітру // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2018. — №8.
Технічні науки
УДК 533.6:621.548
Лещенко Ірина Григорівна
аспірантка кафедри АГМ та ЕМП
Дніпровського національного університету імені Олеся Гончара
Лещенко Ирина Григорьевна
аспирантка кафедры АГМ и ЭМП
Днепровского национального университета имени Олеся Гончара
Leshchenko Irina
Graduate Student of the Department of АGМ and ЕМT of the
Oles Honchar Dnipro National University
РОЗРАХУНКОВІ ПАРАМЕТРИ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК, ЯКІ ПРАЦЮЮТЬ ПРИ ПОМІРНИХ ШВИДКОСТЯХ ВІТРУ
РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, КОТОРЫЕ РАБОТАЮТ ПРИ УМЕРЕННЫХ СКОРОСТЯХ ВЕТРА
CALCULATED PARAMETERS OF WIND POWER ENGINEERING UNITS WHICH WORK AT MILLED WIND SPEEDS
Анотація. Розглянуто проблему оптимізації проектних параметрів вітродвигуна з горизонтальною віссю обертання у напрямку адаптації їх до метеорологічних умов України. Показано, що підвищення енерговіддачі вітроагрегатів при помірних швидкостях вітру можна досягти правильним вибором номінальних значень швидкості вітру VH і обертальної швидкості ωН. На основі аналізу параметрів вітродвигуна встановлено, що вони можуть бути використані на більшій частині території України, якщо параметри будуть пристосовані певним чином до місцевих умов.
Ключеві слова: вітроенергетика, вітродвигун, енергетичні характеристики, оптимальний параметр, вітровий потенціал.
Аннотация. Рассмотрено проблему оптимизации проектных параметров ветродвигателя с горизонтальной осью вращения в направлении адаптации их к метеорологическим условиям Украины. Показано, что повышения энергоотдачи ветроагрегатов при умеренных скоростях ветра можно достигнуть правильным выбором номинальных значений скорости ветра VH и вращательной скорости ωН. На основе анализа параметров ветродвигателя уставлено, что они могут быть использованы на большой части территории Украины, если параметры будут приспособлены определенным образом к местным условиям.
Ключевые слова: ветроэнергетика, ветродвигатель, энергетические характеристики, оптимальный параметр, ветровой потенциал.
Summary. The optimization procedure of wind turbinesdesign parameters aimed at adaptation them of meteorological condition of Ukraine is considered. If is shown that increasing of energy output be obtained by the proper selection of nominal values of wind velocity VH and rotational velocity ωН. It was shown that wind turbines can be used on the prevailins part of Ukrainian territory in cases, when then design parameters are properly adapted to local wind conditions.
Key words: wind energy, wind turbines, power characteristics, optimal design, wind potential.
Постановка проблеми. Економічний розвиток України, яка мусить закуповувати закордоном більш ніж половину енергоносіїв (нафта, газ, а частково й вугілля), неможливий без укріплення енергетичної бази. В умовах дефіциту мінеральних енергоресурсів нетрадиційні способи отримання електроенергії, у першу чергу – вітроенергетика, набуває особливого значення, відповідаючи найвищім вимогам екології і електропостачання. А за умови не високих швидкостей вітру, вирішення проблеми втановлення вітродвигунів стає ще гострішим.
Аналіз останніх досліджень і публікацій. Дослідження складають праці таких фахівців у галузі вітроенергетики, як Yev. R. Abramovsky [3], В. І. Карплюк [5], Ф. І. Аврахов [6], В. С. Кривцов [7], А. Є. Конеченков [8].
Формулювання цілей статті (постановка завдання). Досліджується вітродвигун (ВД) з горизонтальною віссю обертання. Головною метою даної роботи є визначення тих геометричних і енергетичних параметрів вітродвигуна, які були б оптимальні для роботи в даній місцевості. Було розглянуто вітрові умови, які реалізуються у місті Дніпро. Оптимальним ми вважаємо вітродвигун, який відбирає найбільшу величину енергії вітру з 1 м2 поперечного перерізу, потоку який проходить через вітрове колесо.
Виклад основного матеріалу. Вітрова енергетика в останньому десятилітті розвивається досить швидкими темпами. Фахівці оцінюють темпи зростання цієї галузі на рівні 15 – 20% на рік. В деяких країнах доля вітрової енергії в загальному обсязі енерговидобутку на даний час наближається до 10%. На жаль, в Україні такий показник ще не перевищує 1%. Це зумовлено не тільки малою кількістю встановлених вітродвигунів, але і їх низькою енерговіддачею. Справа в тому, що більшість із них недостатньо пристосовані до маловітряних умов, які існують в більшості регіонів країни. І це добре проілюстровано на сайті [1] компанії, яка займається продажем вітродвигунів. Далі приведені дані щоденного споживання електроенергії для середньостатистичного будинку:
Таблиця 1
Щоденне споживання електроенергії для середньостатистичного будинку
|
Прилад |
Кількість спожитої енергії |
|
Енергозберігаюча лампа (10 – 15 Вт) |
200 Вт/год 4 год/день |
|
Ноутбук |
40 Вт/год 4 год/день |
|
Телевізор |
150 Вт/год 4 год/день |
|
Супутникова антена |
20 Вт/год 4 год/день |
|
DVD-плеєр |
20 Вт/год 2 год/день |
|
Музичний центр |
80 Вт/год 4 год/день |
|
Холодильник |
100 Вт/год 24 год/день |
|
Пральна машина |
900 Вт/год 40 хв/день |
|
Пилосос |
900 Вт/год 2 раза на тиждень 1 год |
|
Мікрохвильова піч |
900 Вт/год 0,3 год/день |
|
Кондиціонер |
1000 Вт/год 3 год/день |
У таблиці 2 наведено данні від компанії-виробника вітроагрегатів WindElectric про кількість виробленої електроенергії за рік.
Таблиця 2
Кількість виробленої електроенергії установкою WindElectric за рік
|
Середньорічна швидкість вітру, м/с |
Вироблена енергія за рік, кВт/год |
|
3 |
1445 |
|
4 |
3048 |
|
5 |
5913 |
|
6 |
8935 |
|
7 |
12864 |
Таким чином зрозуміло, що у деяких регіонах країни така ВЕУ буде не достатньо ефективна. Для виходу з цієї ситуації, виробники пропонує встановлювати дві та більше вітрових установок. Але тоді виникають інші проблеми такі, як додаткові кошти і місце для ще однієї енергетичної установки. Також багато виробників не враховують частоту повторюваності вітру конкретного міста, а лише розглядають середньо річну швидкість. Як приклад розглянемо м. Дніпро і м. Хмільник. Ці міста мають середньорічну швидкість вітру 4 м/с. З рис.1 зрозуміло, що найчастіше, у цих містах, реалізується вітер зі швидкістю 3,5 м/с. А також кількість днів із такою швидкістю у м. Хмільник вища ніж у м. Дніпро.
Рис. 1. Графік залежності ймовірності від швидкості вітру (м. Хмільник і м. Дніпро)
Джерело: складено автором на основі [2]
Проведемо розрахунок ВЕУ для вітрових умов заданих у таблиці 3 [2].
Таблиця 3
Частота повтору швидкостей в двох регіонах
|
Діапазон швидкостей V (м\с) Назва міста |
0-1 |
2-3 |
4-5 |
6-7 |
8-9 |
10-11 |
12-13 |
14-15 |
16-17 |
18-20 |
|
Ймовірність вітру даної швидкості |
||||||||||
|
Хмільник (Вінницька обл.) |
0,23 |
0,311 |
0,229 |
0,125 |
0,048 |
0,027 |
0,017 |
0,002 |
0,01 |
0,001 |
|
Дніпро (Дніпр-ська обл. ) |
0,25 |
0,26 |
0,223 |
0,127 |
0,084 |
0,027 |
0,017 |
0,006 |
0,006 |
0,001 |
Розглянемо вітрову установку з лопатями, побудованими на основі профілю «Espero». Для розрахунків енергетичних та аеродинамічних характеристик використаємо метод елементарних струменів. Даний метод включає використання результатів, як імпульсної теорії, так і теорії профілю [3]. Для цього з одного боку сили, діючі на вітроколесо визначаються для кожного струменя на основі імпульсної теорії, а з іншого – ці ж самі сили визначаються із співвідношень для профілю лопатей. При цьому використовуються експериментальні дані для аеродинамічних коефіцієнтів (Сх, Су). Отримані вирази включають в себе невідомі індуктивні швидкості. Прирівнюючи сили, одержані з імпульсної теорії і з теорії профілю, будемо мати замкнену систему рівнянь для визначення індуктивних швидкостей.
Проектна потужність на валу генератора вважається заданою. Оптимальною назвемо ВЕУ, яка відбирає найбільшу долю енергії вітру з одиниці заданої площі, тобто площі перерізу струменя.
Вибір параметрів оснований, насамперед, на принципі побудови оптимального ротора, який забезпечує максимум коефіцієнта потужності
Крім того, вважається, що номінальна швидкість вітру і кількість обертів обирається з умов максимальної енерговіддачі вітродвигуна ( кВт/м2) на місцевості, де його встановили. На цій території повинна бути відома середньорічна швидкість вітру Vср і частота повтору вітру. При виборі Сpm необхідно відповідним чином підібрати залежності і , де b – хорда профілю, φ – кут геометричної крутки лопаті. Скористаємося методом елементарних струменів, який зводиться до розв’язку системи рівнянь за допомогою методу послідовних наближень Вілсона – Уокера [4].де Р0 – потужність потоку, що набігає і перетікає через задану поверхню, P –потужність на валу генератора.
(1)
(2)
(3)
(4)
де – відносний радіус вітроколеса , , – індуктивні швидкості, β – кут натікання потоку на лопаті, – відносна хорда профілю , λ – коефіцієнт швидкохідності , α – кут атаки, l – кількість лопатей.
Розв’яжемо дану системо за умов, що у кожному перерізі лопаті реалізується максимальне значення аеродинамічної якості . Це означає, що кут при якому відомий і необхідно визначити невідомі , , , β, φ, при кожному значенні λ. Коефіцієнт потужності ротора визначається з виразу
(5)
В рівняннях (1) – (4) маємо чотири невідомих, а саме , , β, φ. Відносна хорда є змінною величиною, яка задається в певному діапазоні до отримання максимуму локального значення . Перше наближення задається виразом (6).
(6)
Для визначення Сх, Су необхідно знати кут атаки α і відносну товщину лопаті . Кут атаки в даному випадку дорівнює . Товщина лопаті задається виразом:
(7)
Таблиці для визначення Сх, Су представлено у роботі [5].
Річну енерговіддачу вітродвигуна на одиницю площі омітання ротора , де . обчислюється за формулою [6]:
(8)
де T – кількість годин на рік, РН – номінальна потужність (задана величина), VС – стартова швидкість (3 м/с),VК – швидкість вимкнення при буревії (25 м/с).
Заданими величинами будемо вважати: λm, Cpm (вони отримані на першому етапі, РН, η – коефіцієнт втрат (η≈0,8), а також залежність Cp(λ), яка при ω=ωН=const буде Cp(V).
При цьому
(9)
, (10)
(11)
Ці формули дають можливість визначити ωН
(12)
Змінним параметром будемо вважати VН. Першим наближенням можна взяти VН=2VСР, де Vср – середньорічна швидкість вітру в заданій місцевості.
В вихідних даних номінальна потужність РН була задана і дорівнює 45 кВт. Для вітродвигуна з такою потужністю отримана номінальна швидкістьVН=8 м/с. Така швидкість забезпечує максимальне значення енерговіддачі на одиниці площі і дорівнює 130,7 Вт/м2.
Висновки з даного дослідження і перспективи подальших розвідок у даному напрямі. Дана методика дозволяє створити вітродвигун, який був би оптимальним для заданої місцевості. Одержані результати дозволяють провести аналіз впливу середньорічної швидкості вітру та частоти повторюваності вітру на геометричні і енергетичні параметри вітродвигуна. Дані розрахунки можна використовувати при створені вітродвигуна у місті Дніпро. Наведену методику можна використовувати для розрахунку вітродвигунів у інших місцях.
Література
References
