Применение солнечной энергии

РЕСУРСЫ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

По годовому распределению энергии ветра имеются надежные статистические данные, однако исчерпывающий анализ ветроэнерге­тических ресурсов в каждом конкретном месте весьма сложен. Эти ресурсы зависят, например, от рельефа местности, высоты располо­жения ветроагрегата - относительно поверхности земли и климатиче­

ских условий. Как это не удивительно, но ветроэнергетический ка­дастр Британских островов изучен более основательно, чем, пожа­луй, любой другой страны мира [10, 14]. Западное побережье Ирландии наряду с некоторыми западными островами. Шотландии отличаются наилучшим ветровым режимом. Средняя скорость ветра достигает здесь примерно 9 м/с.

Кинетическая энергия единицы массы воздушного потока равна 1 /2у2, а массовый расход потока через данное поперечное сечение площадью А составляет pAv. Теоретическая располагаемая мощ­ность воздушного потока есть произведение этих двух величин:

где v — скорость движения воздуха, а р — его плотность.

Если А является площадью круга, описываемого лопатками вет - гс

роколеса диаметром D, то D2=A и располагаемая мощность

составляет:

P = -|-pDV.

Фактически располагаемую мощность удобно представить в виде P=KrD2v3,

где Кг — коэффициент использования энергии ветра, учитывающий динамику ветра и эффективность роторной системы [14].

Максимальное количество энергии, которое может быть получено от движущегося воздушного потока, как впервые показал немец­кий инженер Бец в 1927 г., составляет 0,59259 теоретически распола­гаемой энергии. Это количество энергии может быть получено толь­ко при совершенной конструкции лопастей, причем скорость движе­ния концов лопастей должна в шесть раз превышать скорость вет­ра. Любой аэрогенератор может работать только в определенном | диапазоне скоростей ветра, начи - I/! ная с минимальной (пусковой) скорости оп и кончая номинальной рабочей скоростью иНом. Обычно отношение Уном/Уп находится в пределах от 2 до 3. Если при скоро­стях ветра, превышающих оВом> можно изменять угол установки лопастей, система может продол­жать работу при номинальной ге­нерируемой мощности, причем предельное значение скорости зависит только от конструкции. В некоторых системах во избежание поломки ветроколеса при больших скоростях ветра оно целиком выводится из-под ветра. На рис. 7.1 приведены в качестве примера интеграль­ные кривые распределения скорости ветра и мощности регулируемо­го ветроагрегата в годовом цикле (так называемые кривые обеспе*

ценности). У многих современных ветроагрегатов КПД при передаче
мощности с вала ветроколеса на выводы генератора достигает 75%.

Принимая во внимание, что яри нормальном атмосферном дав­лении (1000 ГПа) и температуре 290 К плотность воздуха р= = 1,201 кг/м3, и полагая, что КПД при передаче мощности с вала ветроколеса до выводов генератора составляет 75%, получаем:

:0,0002.

Влияние высоты мачты ветроагрегата на его характеристики. мо­жет быть значительным; в работе [15] получены значения показателя степени в эмпирическом соотношении v=Ha, связывающем среднюю скорость ветра v с высотой Н. В Великобритании для открытой местности на уровне земли а=0,17; для небольших городов это зна­чение следует увеличить до 0,25, а для крупных городов до 0,33. Идеальным местом установки ветроагрегата является длинный, поло­гий склон холма. Кэйтон [16] и Рэнмент [17] рассмотрели методы определения вероятной средней скорости ветра и коэффициентов мощности.

Располагаемая мощность на валу ротора для ветроколеса
различного диаметра

В табл. 7.1 приведены значения располагаемой мощности на валу ротора для различных скоростей ветра и диаметров ветроколе­са, полученные по уравнению 0,0002Д2о3 с учетом поправочного ко­эффициента на высоту мачты. Фактически вырабатываемая механи­ческая или электрическая энергия будет меньше из-за потерь, опре­деляемых эффективностью преобразования энергии для каждой кон­кретной системы.

Годовое количество энергии, вырабатываемой ветроагрегатом, определяется уравнением

Wa=KrD2V3KsH,

где Н — среднее число часов в год (8766); Ks — полуэмпирический коэффициент, учитывающий статистический характер выработки энергии ветроагрегатом.

Для описания ветрового режима любого конкретного пункта обычно используется средняя годовая скорость ветра, однако мощ­ность ветроагрегата пропорциональна кубу скорости. Поскольку при кратковременном повышении скорости ветра мощность ветроагрегата увеличивается значительно сильнее, чем она уменьшается при ариф­метически эквивалентном снижении скорости ветра, в расчетах сле­дует использовать среднее значение у3, которое всегда существенно больше куба средней годовой скорости ветра. В 1956 г. Юул [3] предложил использовать значение Ks= 1,20. При этом он принимал среднюю расчетную скорость ветра равной 8 м/с и считал, что наи­более часто скорость ветра изменяется от 6 до 10 м/с через по­стоянные короткие промежутки времени, причем 83=512, в то время как 1/2(63- 103)=608. Проведенный в 1975 г. Понтином [18] анализ с применением ЭВМ показал, что этот коэффициент можно принять равным 2,06, при этом /CrK*^0,QQ04, a KrKsH=3,5064. Это значение очень близко к цифре, полученной Рэйментом на основе данных [19], и хорошо согласуется с результатами исследования Кэйтона [16], в котором годовая выработка энергии, когда вал ветроколеса соединен с электрогенератором, определяется уравнением

Wa=3,2289£>2у350,

где у so представляет собой значение скорости ветра, превышаемое в течение 50% времени года и весьма близкое к средней годовой скорости ветра. Если принять цифру 3,5064, то для ветроколеса диа­метром 18,3 м годовая выработка энергии составит:

Средняя скорость ветра,

м/с . ............................ 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Годовая выработка энергии,

МВт-ч.......................... 75 146 253 402 691 856 1174 1562 202