Как повысить эффективность ветрогенераторов

РЕФЕРАТ

Содержание реферата

4.1 Ветродвигатели с соосными ветроколесами

Введение

Непомерное использование ресурсов земли для получения энергии невольно наводит на мысль: «Как быть, когда закончатся основные источники энергии?» такие как нефть, газ и другие. Одним из путей решения этого вопроса является использование неисчерпаемых, по человеческим меркам, источников энергии. В сравнении с другими альтернативными источниками энергии, такими как: солнце, вода, тепло земли, наибольшую эффективность показывает ветер[13]. Это связанно с тем, что именно ветер присутствует практически круглый год, и относительно других источников остается стабильным.

Ключевую роль в получении электричества играет скорость ветра. Именно поэтому в местах с низкой среднегодовой скоростью ветра необходимо использовать все способы для получения максимальной выработки ВЭУ. Один из таких способов является метод «раскрутки» ветрогенератора.

1. Актуальность темы

Непрерывный темп роста ветроэнергетики, сам по себе доказывает актуальность данной темы. Он давно превысил темпы развития традиционной и атомной энергетики, и составляет на сегодня около 30% в год. Нетрудно подсчитать, что уже в ближайшие десять лет ветроэнергетика превысит выработку электроэнергии атомными станциями. Краткий перечень причин такой ситуации 4 :

— Цены на электричество с 2006г. – 2012г. выросли почти втрое.

— Экологически чистое производство энергии.

— Возможность обеспечения энергией в местах, где отсутствует физическая возможность подключения.

— Низкое качество электроэнергии в промышленных сетях.

— Неисчерпаемая, по человеческим масштабам, энергия.

2. Постановка задачи исследований

Показатели генерируемой мощности одной ветроэнергетической установки (ВЭУ) зависят от двух вещей:

1. Среднегодовой скорости ветра (в месте где расположена ВЭУ);

2. Конструктивных особенностей ВЭУ.

В данной работе рассматривается автономный ветрогенератор, который будет располагаться в нашем регионе.

Среднегодовая скорость ветра в Донецке составляет около 4.7 – 5.0 (м/с)[6].

Способ борьбы с малыми скоростями ветра это использование многолопастного ветроколеса, которое приводит к уменьшению быстроходности ветрогенератора [1], а следовательно и его генерируемой мощности; либо увеличением высоты башни. Известно, что с увеличением высоты, увеличивается и скорость ветра. Формула расчета скорости ветра на высоте башни[2]:

(1)

где V – искомая скорость ветра (м/с), V0 – скорость ветра на земле (м/с), H – высота башни (м), H0 – высота на которой была измерена скорость ветра на земле (м), a – имперический показатель степени 0.14.

Большинство современных ветрогенераторов рассчитаны на номинальную скорость ветра в пределах 8 – 11 (м/с). Достижения номинального ветра для современных ВЭУ путем увеличения высоты башни нецелесообразно. На рис.1 приведена зависимость пересчитанной скорости ветра в зависимости от разных высот башни, (скорость ветра на земле принята 5 м/с).

Рис.1 — Зависимость пересчитанной скорости ветра в зависимости от разных высот башни

Из рис.1 видно, что для максимального использования современной ВЭУ, в местах с низко годовой скоростями ветра, необходима высота башни выше 500 м., что является технически и экономически нецелесообразно.

Мгновенная мощность ветрового потока определяется по формуле[7]:

(2)

где Nпоток – мгновенная мощность ветрового потока, P – массовая плотность воздуха (кгсек^2/м^4), F – ометаемая ветроколесом поверхность (м^2), V – скорость ветра (м/с).

Из формулы (2) видно, что мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра.

Расчет ометаемой ветроколесом поверхности:

(3)

где F – ометаемая ветроколесом поверхность (м^2), D – диаметр ветроколеса (м).

Из формулы (3) следует, что развиваемая мощность ветродвигателем изменяется пропорционально квадрату диаметра ветроколеса.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что современные ветрогенераторы в местах с низко годовой скоростью ветра, генерируют лишь 13% мощности от возможной, что неприемлемо с учетом их стоимости. Использование методов повышения эффективности работы ветрогенератора является актуальной задачей в нашем регионе. Мной предложен метод «раскрутки» ветрогенератора, который позволяет увеличить генерируемую мощность ВЭУ примерно на 1%.

3. Цель работы

1. Обоснование и разработка электронной системы повышения эффективности работы ветрогенератора, которая наиболее эффективна в местах с низко годовой скорость ветра.

2. Моделирование электронной системы «раскрутки» ветрогенератора.

4. Обзор существующих методов

Актуальность данного вида энергии, заставляет многих инженеров задуматься над вопросом методов повышения эффективности работы ветрогенератора.

4.1 Ветродвигатели с соосными ветроколесами

Зная, что ветроколесо использует не всю энергию набегающего на него ветрового потока, было предложено использовать одно или несколько ветроколес в одном ветрогенераторе [3].

На рис.2 приведена схема головки ветродвигателя с тремя соосными ветроколесами.

Рис.2 — Схема головки ветродвигателя с тремя соосными ветроколесами

Метод не нашел широкого применения, так как из теории идеального ветряка скорость ветра набегаемого на второе ветроколесо в три раза меньше скорости потока набегаемого на первое ветроколесо. И как следует из формулы (2) – мощность развиваемая вторым ветроколесом будет в 27 раз меньшей, чем мощность первого. Даже если не учитывать взаимного вреда ветроколес друг на друга, конструкция является сложно реализуемой.

4.2. Турбогенераторные установки.

Метод заключается в установке генераторов со своими ветроколесами на лопасти основного ветроколеса. Схема турбогенераторной установки показана на рис. 3 [8].

Рис. 3 — Схема турбогенераторной установки

где 1 – лопасти основного ветроколеса, 2 – лопасти дополнительных генераторов, 3 – турбины генератора, 4 – гондола, 5 – башня.

Суть метода, заключается в том, при вращении основного ветроколеса, скорость набегающего потока на дополнительные ветроколеса равна окружной скорости конца лопатки, где расположены генераторы. Суммарная мощность как оказалась, превосходит мощность установки без турбогенераторов. Метод начал использоваться с 2003 года, опытный образец ТГ-750 показал хорошие результаты. На сегодняшний день уже построена установка под названием ТГ16м.

Данный метод показывает хорошие результаты только для очень мощных установок, высота башни которых около 60м.

5. Постановка целей

Ветрогенератор начинает генерировать энергию после начала вращения ветроколеса. Ветроколесо начинает вращаться, когда подъемная сила лопастей (создаваемая набегающим потоком ветра), превысит момент торможения генератора и редуктора или, что то же самое трение покоя. Эту скорость принято обозначать как скорость страгивания. Но, что интересно, когда ветроколесо уже пришло в движение момент торможения генератора и редуктора значительно меньше, так как теперь имеет место трение качения, которое значительно меньше трения покоя. Из этого следует вывод, что если во время вращения скорость ветра опустится ниже скорости страгивания, ветроколесо продолжит раскручиваться. Скорость ветра, при которой ветроколесо начнет останавливаться, обозначим граничной скорость ветра. На рис. 4 изображен график работы ветрогенератора.

Рис.4 – График работы ветрогенератора.

Из рис.4 видно, что графически работа ветрогенератора имеет характер петли гистерезиса.

В области между граничной и страгуемой скоростями, ветрогенератор может как работать, так и нет. Это зависит от предыдущего состояния ветроколеса, стоит или вращается.

Метод «раскрутки» ветрогенератора позволяет убрать зависимость от предыдущего состояния ветроколеса, и заставить ВЭУ работать в области между граничной и страгуемой скоростями постоянно.

6. Решение задачи

Предлагаемая электронная система повышения эффективности работы ветрогенератора состоит из измерительной части, системы преобразования и управления на основе микропроцессора. Измерительная часть представляет собой электромотор 3В, с крыльчаткой на его роторе, и выпрямительный мост на выходе. Ветер приводит в движение крыльчатку прибора, следовательно, на выходе имеем постоянное напряжение, зависящее от скорости вращения ротора, а следовательно от скорости ветра.

Напряжение подается на микроконтроллер, который в свою очередь ждет, когда скорость ветра окажется в пределах: ниже скорости страгивания ветроколеса, но выше граничной скорости. Параллельно с этим, на микроконтроллер, подается напряжение с генератора ВЭУ, для проверки состояния ветроколеса (стоит или вращается). Когда скорость ветра находится в нужных приделах, и контроллер регистрирует, что ветроколесо стоит (напряжение равно 0В), контролер замыкает аккумуляторы ВЭУ с генератором. Причем замыкание произойдет, не сразу после выполнения двух условий. Микроконтроллер выполняет проверку устойчивости данного ветра в течении 10-20 сек. Структурная схема системы повышения эффективности работы ветрогенератора представлена на рис. 5.

Рис. 5 – Структурная схема электронной системы

Измерительное устройство первоначально проходит калибровку, для определения зависимости выходного напряжения от скорости ветра. Это напряжение подается на АЦП микроконтроллера. Устройство ввода, представляет собой блок кнопок, для задания границ скоростей ветра.

Промоделировав работу электронной системы повышения эффективности работы ветрогенератора, использовав реальные данные для скоростей ветра за 2011 год получил: рис.6 — процентная зависимость повышения генерируемой мощности от высоты башни.

Рис. 6 – Процентная зависимость повышения генерируемой мощности от высоты башни

По данным рис.6 видно, что с увеличением высоты башни, а следовательно и скорости ветра – электронная система показывает лучшие результаты.

На рис.7 представлена зависимость генерируемой мощности, при скорости ветра в приделах: ниже скорости страгивания ветроколеса, но выше граничной скорости, от диаметра ветроколеса.

Рис.7 — Зависимость генерируемой мощности от диаметра ветроколеса

Также работы электронной системы можно представить как осциллограмму рис.8.

Рис. 8 – осциллограмма работы электронной системы

где t – время (с), V – скорость ветра (м/с), U – напряжение на выходе генератора (В), Реле – состояние реле (когда 0 – разомкнуто, 1 — замкнуто).

Вывод

Проанализировав данные по ветру за январь 2011 год, получил, что количество часов, удовлетворяющее методу «раскрутки» составляет: 52 часа, что в свою очередь даст дополнительно около 1 кВт в месяц. Ориентировочная стоимость электронной системы составляет не более 50 гр. Окупаемость системы составит около 5 лет.

Список литературы

5. Global Wind Energy Council, [Электронный ресурс] — Режим доступа URL: www.gwec.net/

9. Каргиев В.М. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. «ИСЦ», 2001 г. – 62 с.

10. Литвиненко А.М. Пособие по изготовлению ветроагрегатов. 17 с.

11. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. (курс лекций) Кафедра теплоэнергетических систем, 2004 г.

12. Перебаскин А.В. Микросхемы для управления электродвигателями (Энциклопедия ремонта. Вып. 12) – 1999г., 291 с.

14. Рензо Д. Ветроэнергетика. . «Энергоатомиздат», 1982 г. – 271 с.

15. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. Москва 2006г. – 275 с.

16. Форум. Нетрадиционная энергия. [Электронный ресурс] — Режим доступа URL: http://www.fieldlines.com/

17. Альтернативные источники энергии. [Электронный ресурс] — Режим доступа URL: http://imlab.narod.ru/Energy/Energy.htm

18. Малая энергетика. [Электронный ресурс] — Режим доступа URL: http://rosinmn.ru/

19. Ветроэнергетика. [Электронный ресурс] — Режим доступа URL: http://www.rlocman.ru/wind/

При написании данного реферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2012 г. Полный текст и материалы по теме работы могут быть получены у автора или научного руководителя после указанной даты.

Источник

Эффективность КПД ветрогенератора: способы увеличения, конструкция и рабочие характеристики ветряка

Обновлено: 16 января 2021

Существующие конструкции ветрогенераторов пока не могут составить полноценную конкуренцию наиболее эффективным методам производства электроэнергии. Причина этого заключается в невысокой производительности, которая, в конечном счете, является следствием низкого КПД ветрогенератора.

Здесь насчитывается масса причин, сочетание которых уменьшает эффективность устройства, многие из них относятся к конструктивной области, другие являются тонкими эффектами, но все вместе они образуют чрезвычайно устойчивую преграду на пути к повышению основных рабочих параметров. Вопрос довольно непростой и заслуживает более подробного рассмотрения.

Рабочие характеристики ветряка

КПД не является единственным качественным показателем работоспособности ветрогенератора. Примечателен факт, что для конечного пользователя сам по себе КПД не представляет практического интереса, поскольку он является слишком обобщенным понятием. Для владельца устройства гораздо интереснее более конкретные и адресные параметры:

• мощность
• производительность
• минимальная и максимальная скорость ветра
• тип ротора
• ремонтопригодность
• высота мачты

На практике может возникнуть интерес и к другим характеристикам установки, в зависимости от степени их влияния на состояние и результаты работы устройства. Для промышленных образцов, изготовленных на заводе, ознакомление с подробными техническими характеристиками не составляет труда — они все указаны в паспорте устройства.

Другое дело, если ветряк создан самостоятельно. Тогда опираться даже на расчетные данные нет смысла, поскольку на практике они могут не подтверждаться и значительным образом отличаться от проектных. Поэтому необходимо всячески тестировать вновь созданный ветрогенератор, испытывая и снимая показания на разных скоростях ветра, режимах работы и прочих условиях функционирования.

От чего зависит КПД ветрогенератора?

Как уже говорилось, КПД ветрогенератора является производным от его технического состояния, вида турбины, конструктивных особенностей данной модели. Из школьного курса физики известно, что КПД — это отношение полезной работы к общей работе. Или отношение энергии, затраченной на выполнение работы, к энергии, полученной в результате.

В этом отношении возникает интересный момент — используемая энергия ветра получена совершенно бесплатно, никаких усилий со стороны пользователя приложено не было. Это делает КПД чисто теоретическим показателем, определяющим чисто конструктивные качества устройства, тогда как для владельцев в большей степени важны эксплуатационные характеристики. То есть, возникает ситуация, в которой КПД не столь важен, все внимание отводится чисто практическим задачам.

Тем не менее, при изменениях рабочих параметров в ту или иную сторону, автоматически меняется и КПД, что свидетельствует о его взаимосвязанности с общим состоянием устройства.

Коэффициент использования энергии ветра

Следует отметить, что для ветрогенераторов существует свой, специфический показатель эффективности — КИЭВ (Коэффициент Использования Энергии Ветра). Он обозначает, какой процент воздушного потока, проходящего в рабочем сечении, непосредственно воздействует на лопасти ветряка. Или, если говорить более наукообразно, он демонстрирует отношение мощности, полученной на валу устройства, к мощности потока, воздействующего на ветровую поверхность рабочего колеса. Таким образом, КИЭВ является специфическим, применительным только для ветрогенераторов, аналогом КПД.

Некоторые специалисты утверждают, что в теоретических исследованиях термин КПД для ветряков вообще неприменим, вместо него следует использовать именно КИЭВ.

На сегодняшний день значения КИЭВ от изначального 10-15 % (показатели старинных ветряных мельниц) возросли до 356-40 %. Это связано с усовершенствованием конструкции ветряков и появлением новых, более эффективных материалов и технических деталей, узлов, способствующих уменьшению потерь на трение или прочие тонкие эффекты.

Теоретические исследования определили максимальный коэффициент использования энергии ветра равным 0,593.

Какие конструкции имеют наивысший КПД?

На сегодня наивысший КПД горизонтальных ветровых установок, обладающих большей эффективностью, чем вертикальные ветряки, равен 0,4. Для вертикальных устройств среднее значение считается равным 0,38, т.е. показатели близки и не находятся на большом удалении друг от друга. Периодически появляются сообщения о разработках устройств, КПД которых превышает существующие показатели в 2 или более раз, что весьма сомнительно и не подтверждается более ничем, кроме голословных утверждений журналистов, плохо представляющих себе предмет.

Тем не менее, устройства с заметно возросшей эффективностью существуют. Они созданы в разных конструкционных вариантах, есть горизонтальные или вертикальные установки с повышенной производительностью, мощностью, остальными параметрами. Большинство таких устройств являются маломощными комплексами, предназначенными для использования в отдаленных районах и обеспечивающие отдельные дома или участки.

Для России важно создание именно таких устройств, так как потребности в энергоснабжении имеются только в труднодоступных и отдаленных регионах. Монтаж больших промышленных станций там не всегда возможен или нерентабелен.

Известны конструкции изобретателей Онипко, Третьякова и многих других конструкторов, имеющие оригинальные и элегантные варианты увеличения производительности и, соответственно, КПД. Большинство из них пока еще находятся в стадии разработки или подготовки к массовому производству, так как активная работа в этом направлении начата относительно недавно, еще не успела полностью реализоваться в виде промышленных изделий.

Способы увеличения КПД

Для того, чтобы увеличить КПД ветрогенератора, надо изменить в положительную сторону его рабочие или эксплуатационные характеристики. В первую очередь, надо повысить чувствительность крыльчатки к слабым и неустойчивым ветрам. Россия считается самой богатой ветровыми ресурсами страной, но это только из-за большой площади. Средние показатели в нашей стране относительно невысокие, скорости потока слабые или средние. Это вынуждает изыскивать пути повышении эффективности крыльчатки.

Одним из интересных предложений в этой области является «лепестковый парус», разработанный Евгением Цукановым. Он предложил идею создания своеобразной односторонней мембраны для воздушного потока, свободно пропускающей ветер в одну сторону и являющейся плотной непроницаемой преградой для потока обратного направления.

Согласно разработке Цуканова, полотно лопастей состоит из сетки, покрытой лепестками. Они прикреплены одной кромкой к сетке, свободно свисают вниз, частично перекрывая друг друга. При фронтальном направлении лепестки прижимаются к сетке, образуя непроницаемую поверхность, принимающую энергию ветра в полном объеме. Если направить поток с обратной стороны, лепестки под действием ветра поднимаются и пропускают воздух без сопротивления.

Этот вариант требует некоторых промышленных мероприятий, в частности, создании технологических линий по производству подобного полотна, но сама по себе идея весьма удачно позволяет устранить воздействие ветра на обратные стороны лопастей, что очень увеличит КПД вертикальных конструкций и позволит получить от них совершенно другие результаты.

Существуют и другие способы, например, использование диффузоров или защитных колпаков, отсекающих поток с противодействующих поверхностей. Все эти варианты конструкции имеют свои достоинства и недостатки, но, в целом, они намного эффективнее традиционных образцов, поэтому нуждаются в активной доработке, запуске в промышленное производство.

Источник