VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Ветроэнергетика является сложившимся направлением энергетики. Производятся и работают ветроэнергетические установки от нескольких сотен ватт до тысяч киловатт. Большая часть установок используется для производства электроэнергии – в энергосистеме или автономно [1].

Максимальная проектная мощность ветроэнергетических установок определяется для некоторой стандартной расчетной скорости ветра в пределах от 7 до 15 м/с. Мощность, снимаемая с 1 м² ометаемой площади ветроколеса равна 0,3…0,4 кВт. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25-35% его максимального проектного значение. Срок службы ветрогенераторов – 15-20 лет.

Классификация ветроэнергетических установок (ВЭУ) [2]:

• по мощности: малые - мощностью до 25 кВт, диаметром ветроколеса до 10 м; средние - до 150 кВт и до 25 м; большие - до 1000 кВт, и до 64 м; очень большие мощностью до 4000 кВт и диаметром до130 м;

• по взаимному положению оси ветроколеса и направлению воздушного потока: горизонтально-осевые и вертикально-осевые;

• по вращающей силе: установки, использующие силу сопротивления, и установки, использующие подъёмную силу. Линейная скорость первых ниже скорости ветра, линейная скорость вторых – может быть выше скорости ветра;

• по геометрическому заполнению ветроколеса: одно-, двух-, трёх-, многолопастные. Установки с большим геометрическим заполнением – многолопастные, развивают значительную мощность при слабом ветре. Установки с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на режим. Поэтому первые используют в качестве насосов. Они работоспособны даже при слабом ветре. Вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения;

• по назначению: ветряные мельницы – для непосредственного выполнения механической работы и ветроэлектрогенераторы – для производства электроэнергии;

• по стабильности частоты вращения: установки с постоянной частотой вращения – ветроэлектрогенераторы, синхронизированные с мощной энергосистемой, и установки с переменной частотой вращения;

• по способу соединения ветроколеса с генератором – жесткие или через промежуточный преобразователь энергии (буфер).

Схема установки ВЭУ представлена на рис.1.

Рис. 1 – Схема установки ветроэнергетической установки

Лучшее место установки ВЭУ - вершина холма или посреди поля. Но в реальной жизни все гораздо сложнее. Если предполагается ВЭУ рядом с домом, то высота мачты должна быть на 3-5 м выше дома, либо при более низкой мачте ее надо устанавливать от дома на расстоянии не менее 3-х кратной высоты дома. Таким образом, если высота дома, например, десять метров, то мачту надо ставить не ближе 30 м от дома. При наличии высоких деревьев расстояние до них должно быть не менее двукратной высоты дерева.

В любом случае более высокая мачта более выгодна, так как ветер на высоте 15-20 м дает прирост по выработке электроэнергии более, чем на 20% по сравнению с мачтой вдвое ниже, особенно в застроенной местности.

Использование ветровой энергии становится все более актуальным для любой страны, которая хочет уменьшить свою энергозависимость от традиционных источников энергии (нефть, газ, уголь и др.). К тому же такое производство не дает выбросов в атмосферу вредных веществ.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, зависит от скорости ветра, мощности ветрового потока, типа ветродвигателя и его аэродинамической характеристики. Наиболее полно ветровой поток используется горизонтально-осевым пропеллерным (рипеллерным) двигателем, для которого вся ометаемая ветроколесом площадь потока является активной [3].

Мощность ветрового потока, проходящего через некоторое сечение S, равна его кинетической энергии в единицу времени:

(1)

где S – площадь, ометаемая ветроколесом, м²; ρ – плотность воздуха, 1,3 кг/м³; m – масса воздуха, проходящая через сечение ветроколеса, кг/с.

При набегании потока на ветроколесо поток отдает колесу часть своей энергии, расширяется. Скорость потока уменьшается от значения w перед ветроколесом до величины w₁ на самом колесе и до значения w₂ за колесом (см. рис.2).

Сила, действующая на ветроколесо и приводящая его во вращение, равна изменению количества движения при прохождении ветроколеса потоком

. (2)

Рис.2 - К расчету мощности горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя

Мощность, развиваемая ветроколесом

. (3)

Полагая скорость ветра на ветроколесе равной среднеарифметическому значению скоростей ветра в сечениях, расположенных перед ветроколесом и за ним, т.е.

, (4)

а коэффициент торможения потока при прохождении им ветроколеса

, (5)

соотношение скоростей ветра в сечениях тогда составит

. (6)

Искомое выражение мощности, развиваемой ветроколесом:

, (7)

, (8)

где cp - коэффициент использования ветродвигателем мощности потока, или просто коэффициент мощности ветродвигателя.

. (9)

Для горизонтально-осевых ветродвигателей, использующих подъемную силу, коэффициент мощности имеет наибольшее значение c_pmax = 0,59 при a = 1/3 . Практически достижимые значения коэффициента составляют cp ≈ 0,3÷0,4.

Количество получаемой энергии зависит от:

• мощности ветрогенератора;

• диаметра винта;

• среднегодовой скорости ветра в месте установки.

Вращающий момент, развиваемый ветроколесом, пропорционален его мощности и обратно пропорционален частоте вращения

, (10)

где - быстроходность ветроколеса – отношение окружной скорости на конце лопасти ветроколеса w_K к скорости ветра w; R – радиус ветроколеса; – угловая частота вращения ветроколеса; –коэффициент вращающего момента.

Существует понятие оптимальной быстроходности ветроколеса. Оптимальная быстроходность ветроколеса – это такая быстроходность, при которой оно вращается не слишком быстро, чтобы лопасти не двигались в турбулизированном предыдущей лопастью потоке и не слишком медленно, чтобы часть потока не проходила через сечение ветроколеса без взаимодействия с его лопастями.

, (11)

где N – число лопастей ветроколеса.

Сила лобового давления на ветроколесо

, (12)

где c_F = 4a(1-a) - коэффициент лобового давления.

Среднегодовая скорость ветра w_CP на высоте установки ветродвигателя h определяется по известной формуле, в которую входят стандартная скорость ветра w₁₀, измеренная на высоте 10 м от поверхности земли, и параметр b, значение которого для открытой местности b=0,14. Величина b изменяется в зависимости от закрытости местности, времени суток, времени года

. (13)

Срок окупаемости ветроэнергетической установки с учетом эксплуатационных расходов может быть определен как

, (14)

где C_K - удельные капитальные затраты, руб./кВт. Они, состоят из стоимости оборудования (75%) и затрат на создание инфраструктуры (стоимость фундамента 5…7%, стоимость электрической линии и трансформаторной подстанции 5…8%, транспортировка и монтаж оборудования 6…8% и прочие расходы); С_А - тариф на электроэнергию (стимулирующий двойной тариф для производителей электроэнергии на возобновляемых источниках); Z - годовые эксплуатационные затраты. Они приняты на основе имеющихся литературных данных в пределах 20% (0,2 относительных единиц) и включают:

- издержки на техническое обслуживание и текущий ремонт, 10% от стоимости ВЭУ делённые на срок эксплуатации в 25 лет;

- отчисления на погашение процентной ставки за кредит, 10% от стоимости ВЭУ делённые на срок эксплуатации в 25 лет;

- отчисления за эксплуатацию электросетей, 6% от годового дохода продаж электроэнергии;

- государственные отчисления (налоги), 10…15% от годового дохода продаж электроэнергии;

K_i - коэффициент использования номинальной мощности установки.Значение коэффициента К_i определяетсяне однозначно. Оно зависит от среднегодовой скорости ветра на площадке под ВЭУ, от высоты опоры ВЭУ, от расчётной скорости ветра, принятой при проектировании ВЭУ и определяющей номинальный режим работы электрогенератора внедряемой установки.

Номинальная мощность установки при расчетной скорости ветра

, (15)

где С_Р - коэффициент использования мощности ветрового потока; ρ - плотность воздуха; S₀ - ометаемая площадь ветроколеса; wP - расчетная скорость ветра.

Количество выработанной за год электроэнергии определится исходя из того, что мощность P_i развивается установкой при скорости ветра w_i в течение ∆t_i часов в году. При скорости ветра менее 3 м/с ветроэнергетическая установка отключается. При скорости от 3 м/с до расчетной величины скорости ветра wP развиваемая мощность возрастает пропорционально кубу скорости ветра, а при скорости ветра от wP и до 25 м/с установка развивает номинальную мощность. При скорости ветра более 25 м/с она отключается.

Коэффициент использования номинальной мощности установки равен отношению выработанной за год электроэнергии W к электроэнергии, которая могла бы быть выработана при номинальной мощности

, (16)

где ∆ti - временной интервал в относительных единицах по отношению к 8760 часам (год), в течение которого скорость ветра равна w_i. Он равен вероятности, с которой ветер такой интенсивности дует в течение года.

Функция распределения вероятности скорости ветра Фwi выражается распределением Рэлея, которое получается из формулы Вейбулла при значениях параметра k = 2 и параметра C, равного среднегодовой скорости ветра w_CP, и которое обеспечивает хорошее соответствие экспериментальным данным:

. (17)

Временной интервал ∆ti в относительных единицах

. (18)

Рассмотрим для примера расчет ветроэнергетической установки для аквацентра санатория. Изучив рынок предложения, предлагается использовать ветрогенератор производства компании ТК «Чистая энергия», Самарская обл., г.Тольятти. Характеристика и стоимость полного комплекта ветрогенератора вместе с монтажом приведена ниже:

• мощность - 20кВт при ветре 10 м/с;

• рабочий диапазон скоростей ветра – 3… 40 м/с;

• напряжение - 380 В;

• цена - 1 370 000 руб.

В комплект входят: генератор - 1 шт., лопасти - 3 шт., втулка - 1 шт., комплект крепежных болтов для лопастей - 1 шт., механизм направления по ветру - 1 шт., блок контроллер заряда/инвертор - 1 шт., мачта, основание для мачты - 1 шт., закладные детали (анкерные болты L-образные) для основания - 1 комплект, тросы для растяжек - 1 комплект, закладные детали (анкерные болты О-образные) для растяжек - 1 комплект, кабель электрический, инструкция по установке. Технические характеристики ветрогенератора приведены в таблице 1.

Таблица 1

Технические характеристики ветрогенератора

производства компании ТК «Чистая энергия»

Диаметр крыльчатки, м	10
Количество лопастей	3
Материал лопасти	Стекловолокно
Длина лопасти, м	5
Окончание таблицы 1
Направление вращения	По часовой стрелке
Занимаемая площадь, м2	78,5
Номинальное число оборотов, об/мин	120
Номинальная скорость ветра, м/с	10
Тип генератора	Трехфазный генератор с пост.магнитами
Номинальная мощность, Вт	20000
Максимальная мощность, Вт	25000
Выходное напряжение, В	380
Начальная скорость ветра, м/с	3
Рабочая скорость ветра, м/с	3-20
Максимальная скорость ветра, м/с	40
Высота мачты, м	15
Полная масса, кг	800
Диаметр вала, мм	377
Управление	Микропроцессорный блок
Аккумуляторы (опция)	12V100AHx30 шт.

Срок окупаемости установки рассчитываем с учетом того, что прибылью будет являться экономия денежных средств, потраченных на оплату электроэнергии, потребляемой аквацентром. Потребление составляет 13 МВт в месяц, тариф на электроэнергию составляет 1,78 руб./кВт. Расчет выполнен с учетом дисконтирования затрат. Ежегодные эксплуатационные затраты приняты в размере 20% от стоимости оборудования. Расчетный срок окупаемости установки ветрогенератора составил 4,8 года.

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов [4,5]. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых. Одним из самых перспективных видов ВИЭ является ветровая энергия.

Были рассмотрены условия применения ветроэнергетических установок на территории Воронежской области. В качестве примера расчитана возможная схема внедрения ВЭУ на конкретном объекте – аквацентре санатория. В расчете был принят ветрогенератор производства компании ТК «Чистая энергия», Самарская обл., г.Тольятти. Срок окупаемости ветроэнергетической установки составил 4,8 года.

Библиографический список

1. Сотникова, К.Н. Повышение эффективности энергоснабжения потребителей в системах с нетрадиционными источниками теплоты / К.Н. Сотникова // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2009. – Т.5. - №4. – С.66-71.

2. Фролов, Д.И. Внедрение мероприятий по снижению энергозатрат здания / Д.И. Фролов, К.Н. Сотникова, А.В. Карташов, В.С. Фролова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2012. - №2. – С.34-37.

3. Сотникова, О.А. Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии при решении проблем энергоснабжения и экологической безопасности / О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов, А.И. Колосов // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2009. - №1. – С.80-87.

4. Скугорев, Е.Г. Обзор всероссийского конкурса по экологическому девелопменту и энергоэффективности Green Awards 2011 / Е.Г. Скугорев, Ю.С. Пикуль, О.А. Сотникова // Научный журнал. Инженерные системы и сооружения. – 2012. - №2. – С. 90-104.

5. Сотникова, К.Н. Экспертная система принятия решений для реконструкции зданий с учетом принципов «Зеленого строительства» / К.Н. Сотникова, Н.В. Колосова, А.П. Толмачев // Инженерные системы и сооружения. – 2012. - №1. – С. 98-105.

Код для цитирования: Скопировать