Материал: Ветровые установки

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки ά, т.е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла неодинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает.

Рисунок 5. Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса

Рисунок 6. Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти (а) и графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса (б)

Вместе с этим убывает угол атаки ά, и при некоторой окружной скорости wR, где w угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рисунок 6, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъемную силу.

Если мы будем уменьшать угол φ каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки ά примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъемной силой. Лопасть с переменным углом заклинения со получает форму винтовой поверхности.

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46 %.

В большинстве современных ветровых турбин с помощью специальных устройств (центробежных, гидравлических и других) обеспечивается возможность поворота всей лопасти или отдельной ее части, изменения за счет этого угла атаки и регулирования мощности на валу по заданному закону. При скорости ветра меньше номинальной лопасть разворачивается таким образом, чтобы угол атаки был оптимальным и коэффициент использования ветра максимальным. При скорости ветра больше номинальной разворотом лопасти добиваются уменьшения коэффициента использования энергии ветра до значения, при котором мощность на валу соответствует номинальной. На рисунке 7 на примере ветровой турбины номинальной мощностью 2 МВт показана зависимость мощности и коэффициента мощности (коэффициента использования энергии ветра) от скорости ветра.

- идеальный ротор пропеллерного типа; 2 - двухлопастный скоростной ротор; 3 - ротор Дарье; 4 - ротор Савониуса; 5 - многолопастный ротор

Рисунок 7. Кривые зависимости коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности

Угол атаки g, определяющий коэффициент мощности zp зависит от скорости ветра W и частoты вращения ротора w. В силу этого, коэффициент мощности удобно выражать с помощью параметра, учитывающего W и w. Таким параметром является коэффициент быстроходности

Ветровые турбины различных типов имеют существенно отличающиеся зависимости коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности (рисунок 7).

Пример компоновки основных узлов ветроэнергетической установки с горизонтальной ост вращения показан на рисунке 8.

Недостатками ВЭУ являются непостоянство вырабатываемой электро-энергии, что создает определенные проблемы при их работе на сеть и необходимость использования аккумуляторов при работе в автономном режиме, а также более высока», чем на традиционных электростанциях, стоимость 1 кВт установленной удельной мощности и меньшее число часов ее использования.

- лопасть; 2 - система разворота лопасти; 3- втулка; 4- дисковый тормоз; 5- мульти-пликатор; 6- гидромуфта; 7 - генератор; 8 - механизм системы поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10- датчик системы поворота

Рисунок 8. Основные узлы ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения

Однако эти недостатки перекрываются такими качествами ВЭУ как отсутствие топливной составляющей, неисчерпаемость первичного источника энергии, низка» стоимость вырабатываемой электроэнергии, возможность полной автоматизации, исключающей необходимость в обслуживающем персонале, возможность энергообеспечения автономных объектов, удаленных от электросетей, модульное исполнение, позволяющее наращивать установленную мощность по мере необходимости.

7. Преимущества и недостатки различных систем ветродвигателей. Методика определения параметров ветроустановок

Ветродвигатели карусельные и барабанные (второго и третьего классов) отличаются весьма простой схемой работы ветроколеса. У карусельных ветродвигателей воздушный поток, набегая на ветроколесо, давит на лопасти с одной стороны оси вращения; с другой же стороны он встречает либо ширму, прикрывающую лопасти, идущие против ветра, либо ребра лопастей, если они поворотные, вследствие чего давление потока на них оказывается весьма малым. В результате получается сила в плоскости вращения, которая создает крутящий момент ветроколеса. Аналогичное явление имеет место и у барабанных ветродвигателей. Однако у карусельных положение ветроколеса в потоке ветра более выгодно: оно всегда находится в рабочем положении, с какой бы стороны ни дул ветер. У барабанных же ветродвигателей, равно как и у крыльчатых (первый класс), требуется специальное устройство для установки ветроколеса на ветер при каждом изменении направления последнего.

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей определяются самим принципом расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра.

. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, то ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно.

Периодически лопасти затеняют друг друга почти на половине окружности, и каждая из лопастей только в одном положении воспринимает полный поток и может развивать максимальную мощность. Кроме того, когда лопасти прикрыты ширмой или направлены ребром к ветру, они развивают хотя и малый по величине, но все же отрицательный момент.

Вращающий момент ветроколеса получается равным разности моментов сил, действующих диаметрально противоположно лопасти. В результате коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и при самых благоприятных условиях не превышает величины 0,10, что установлено экспериментальными исследованиями.

Коэффициент использования энергии ветра карусельными ветродвигателями можно повысить путем усовершенствования поверхностей и комбинацией положения их в потоке ветра. Однако при конструктивном оформлении такой ветродвигатель получается сложнее крыльчатого.

. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развивать большую скорость вращения, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.

. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности ветродвигателя.

У роторных ветродвигателей ветроколесо также вращается в горизонтальной плоскости, но протекание потока через ометаемую поверхность происходит совершенно иначе, чем у карусельного и барабанного ветродвигателей. В данном случае ветроколесо создает меньший подпор воздушного потока.

Поток ветра скользит по выпуклой поверхности и действует полной силой на изогнутую поверхность, огибает ее, создавая на поверхности дополнительную силу, вращающую ротор. Тех сопротивлений, которые имели место у карусельных ветродвигателей, в данном случае нет. Поэтому и коэффициент использования энергии ветра ветродвигателей системы Савониуса примерно в 2 раза выше, чем у карусельных. Продувками модели ротора Савониуса в аэродинамической трубе определен наибольший коэффициент использования энергии ветра  = 0,18.

Крыльчатые ветродвигатели в значительной мере свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей, что подтверждается теоретическими расчетами и практическими данными.

Предлагаемая методика выбора технических характеристик ветроустановок предусматривает выполнение следующих пунктов:

а) статистическая обработка метеоданных о средних скоростях ветра с использованием в качестве исходной информации данных метеонаблюдений, статистических данных метеорологических ежемесячников или же экспериментальных данных;

б) расчет значений удельной мощности ветрового потока;

в) определение времени наблюдения по градациям скоростей ветра;

г) расчет годовых и месячных значений удельной энергии ветрового потока;

д) определение расчетного значения скорости ветроустановки;

е) определение возможной номинальной мощности, диаметра ветроколеса и высоты башни ВЭУ;

ж) выбор соответственно полученным результатам ветроустановки по каталогам;

и) расчет возможного годового производства электрической энергии ветроустановкой в соответствии с ее номинальными техническими параметрами и энергетическими характеристиками местного потока.

8. Перспективы развития ветроэнергетики в Казахстане

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом.

На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано на схеме (рисунок 1). Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км.

Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным - в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, показанную на рисунке 1.

Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.

Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз.

Рисунок 1. Схема общей циркуляции земной атмосферы

Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу - на берег моря, вверху - от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы, называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях - наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами.

Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии - в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой - северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры.

Республика Казахстан по своему географическому положению находится в ветровом поясе северного полушария и на значительной части территории Казахстана наблюдаются достаточно сильные воздушные течения, преимущественно Северо-восточного, Юго-западного направлений. В ряде районов Казахстана среднегодовая скорость ветра составляет более 6м/с, что делает эти районы привлекательными для развития ветроэнергетики. В этой связи Казахстан рассматривается как одна из наиболее подходящих стран мира для использования ветроэнергетики. По экспертным оценкам, ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается как 1820 млрд. кВтч электроэнергии в год. Хорошие ветровые районы имеются в центральной части Казахстана, в Прикаспии, а также в ряде мест на Юге, Юго-Востоке и Юго-Западе Казахстана (рисунок 1).

Исследования ветроэнергетического потенциала в ряде мест по территории Казахстана, проведенные в рамках проекта Программы развития ООН по ветроэнергетике, показывают наличие хорошего ветрового климата и условий для строительства ВЭС в Южной зоне (Алматинская, Джамбульская, Южно-Казахстанская области), в Западной зоне (Мангистауская и Атырауская области), в Северной зоне (Акмолинская область) и Центральной зоне (Карагандинская область) (таблица 1).

Таблица 1

Перечень исследованных площадок для строительства ВЭС (по данным метеоисследований ПРООН)