Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Техніка arrow Основи вітроенергетики
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Вітер, як носій (джерело) енергії

Як і всяке рухоме тіло, вітер володіє певним запасом кінетичної енергії , і яка може бути перетворена в механічну роботу або електричну енергію за допомогою спеціальних пристроїв і установок, що одержали назву вітряних. Швидкість вітру є найважливішою характеристикою технічних властивостей вітру. Кінетична енергія вітрового потоку Е, як всякого тіла, що рухається зі швидкістю v і має масу т, дорівнює:

(2.6)

У свою чергу маса повітря в перерізі перед вітроагрегатом є масовою витратою повітря, що могло би пройти через обмахувану площу S вітроколеса за одиницю часу, маючи щільність

(2.7)

де – масова щільність повітря; у – питома вага повітря; g – прискорення сили тяжіння; А – площа, через яку протікає вітровий потік; v – швидкість вітру.

Обмахувана площа вітроколеса – це геометрична проекція площі вітроколеса на площину, перпендикулярну вектору швидкості вітру. У разі перпендикулярності вектора швидкості вітру до обмахуваної площі S, її величина визначається за формулами:

– для горизонтально-осьового вітродвигуна (див. рис. 2.13, а)

(2.8)

– для вертикально-осьового вітродвигуна (див. рис. 2. ІЗ, б)

(2.9)

Тут діаметр вітроколеса D – це діаметр кола, описуваного найбільш віддаленими від осі обертання вітроколеса частинами лопатей, //-висота вертикальної вітротурбіни.

Розглянемо трубку потоку повітря радіусом R, зі швидкістю потоку V (рис. 2.2) і визначимо масу повітря, що проходить через перетин трубки в одиницю часу

(2.10)

де – питома щільність (вага) повітря, кг/м3; V – об'єм, який займає повітря, м3; А та R – відповідно площа і радіус трубки потоку повітря, м2, м; dl – елемент довжини потоку, який долається за час .

Підставивши у вираз 2.6 значення маси повітря з 2.10, отримаємо рівняння для визначення кінетичної енергії повітряного потоку (вітру) та його потужності.

Трубка потоку повітря

Рисунок 2.2 – Трубка потоку повітря

(2.11)

(2.12)

Питома щільність повітря р не е сталою величиною і залежить вія тиску, температури і кількості водяної пари в повітрі. Щільність водяної пари менше щільності сухого повітря, тому вологе повітря при тому ж тиску буде мати меншу щільність, ніж сухе. Якщо розглядати повітря як ідеальний і сухий газ, то залежність щільності повітря від тиску і температури набуває наступний вигляд

(2.13)

де р – тиск повітря, ();- питома газова стала (287,058 ); Т- температура повітря, ().

При нормальному атмосферному тиску (на рівні моря р0 – 101325 Па) і температурі повітря 0 °С отримаємо:

На рис. 2.3 наведена залежність зміни питомої щільності повітря, розрахована за рівнянням (2.10) для сухого повітря і нормального атмосферного тиску в діапазоні температур від -25°С до + 35°С. Ця залежність носить нелінійний характер.

Для практичних розрахунків з похибкою, що не перевищує 0,75%, цю нелінійну криву можна замінити спадаючою апроксимуючою прямою, хід якої задовольняє наступному рівнянню:

(2.14)

де - температура повітря за шкалою Цельсія, °С, k = 0,0046 – коефіцієнт пропорційності

Залежність зміни питомої щільності сухого повітря від температури при нормальному атмосферному тиску

Рисунок 2.3 – Залежність зміни питомої щільності сухого повітря від температури при нормальному атмосферному тиску

На рис. 2.3 ця пряма представлена у вигляді штрихової лінії.

Відомо, що з підвищенням висоти тиск повітря падає. На невеликих висотах, які використовуються у вітроенергетиці, кожні 12 метрів підвищення висоти призводять до зменшення атмосферного тиску на 1 мм.рт.ст, або 133,322 Па.

Наприклад для потужних офшорних вітрогенераторних установок, які установлюються в прибережних зонах морів з висотою осі обертання лопатей вітряка 120 метрів, зміна тиску становитиме величину . Відповідно на цю ж, практично несуттєву величину, зменшиться залежна від тиску питома щільність повітря. Зміна ж температури від -25 °С до + 25 °С призведе до зменшення щільності, а отже і маси повітря майже на 20%.

Лк приклад, з використанням виразів (2.7-2.9), визначимо масу повітря, що проходить за 1 секунду через омивану площу вітрового колеса установки Е126 фірми Enercon Gmbh (Німеччина) потужністю 7,5 МВт і діаметром вітрового колеса 126 метрів (R = 63 м), його кінетичну енергію та потужність.

При температурі повітря +20°С і номінальною для цієї установки швидкості вітру 16 м/с за 1 с ця маса складе:

Таким чином, кожну секунду через омивану площу вітрового колеса проходить 240 тонн повітря. Це відповідає масі чотирьох повністю завантажених вугіллям залізничних вагонів.

Кінетична енергія цієї маси при швидкості вітру 16 м/с становить:

Та відповідно потужність вітрового потоку складе

Порівнюючи отриману вище потужність вітру з номінальною потужністю установки Е126 (7,5 МВт) можна побачити, що сумарний ККД перетворення системи вітер – електрична енергія нижче 30%. Це говорить про те, що перетворення енергії вітру в механічну енергію обертання ротора ВГУ, а потім і в електричну енергію відбувається з досить великими втратами. Однак вітер дається нам практично "безкоштовно", і в порівнянні з широко використовувались на початку і середині 20 століття паровозами, що мали навіть у своїх кращих конструкціях ККД близько 7...9%, використання енергії вітру має безсумнівні переваги і на сьогоднішній день є економічно вигідним.

В даний час створено велику кількість вітрогенераторних установок з різними діаметрами вітрових коліс. Тому доцільно ввести поняття питомої потужності вітру Ров, яка припадає на 1 м2 омиваної площі вітрового колеса (). Це буде відповідати радіусу колеса 56,42 см. Або діаметру колеса порядку 113 см.

(2.15)

На рис. 2.4 наведена залежність питомої потужності вітру від його швидкості і температури навколишнього середовища при нормальному атмосферному тиску. Верхня крива відповідає температурі – 20 °С; нижня – температурі + 20 °С і середня – температурі 0 °С.

Залежність питомої потужності вітру від його швидкості і температури при нормальному атмосферному тиску

Рисунок 2.4 – Залежність питомої потужності вітру від його швидкості і температури при нормальному атмосферному тиску

Питома потужність вітру зростає пропорційно кубу швидкості вітру з коефіцієнтом пропорційності, рівним половині питомої щільності повітря. При температурі 0 °С рівняння (2.15) набуває наступний вигляд:

(2.16)

Наприклад, при швидкості вітру 10 м/с і температурі навколишнього середовища 0 °С, на кожен квадратний метр омиваної поверхні вітрового колеса доводиться 650 Вт потужності набігаючого повітряного потоку.

Температура робить істотний вплив на зміну питомої потужності. При швидкості вітру 10 м/с і діапазоні зміни температури повітря від +20 до -20 °С прибавка питомої потужності становить 92 Вт (див. рис. 2.4), що, наприклад при діаметрі вітрового колеса 126 метрів (установка Enercon Е126) і площі ротора, яка дорівнює 12469 м2, призводить до збільшення діючої на ротор сумарної потужності вітру на 1,15 МВт. При швидкості вітру 12 м/с прибавка питомої потужності становить вже 159 Вт і повна потужність зростає на 1,98 МВт. Таким чином, при однаковій швидкості вітру в зимовий період ВГУ виробляє електроенергії більше, ніж в літній період.

Практичний інтерес представляє питання: яку кількість енергії вітру взагалі можливо використовувати сучасними технічними засобами? Мінливість швидкості вітру за часом і висотою, відсутність досвіду експлуатації груп вітроенергетичних установок і станцій, не дозволяють точно визначити величину енергії вітру, можливу до практичного використання.

Наближений теоретичний підрахунок використовуваної вітроенергетичними установками енергії вітру виконаємо виходячи з розподілу вітроустановок на поверхні суші в шаховому порядку і (для виключення взаємного впливу вітроустановок) на відстані п'ятнадцяти- кратної величини діаметра вітроколеса. Дотримуючись шахового розподілу вітроустановок на поверхні землі, підрахуємо кількість енергії вітру на 1 км2. Площа поверхні під один вітряк повинна дорівнювати:

(2.17)

де: Д =15D – діаметр кола площі під один вітряк; D – діаметр вітроколеса вітроенергетичної установки, м.

Найбільш щільно розташуються вітряки, якщо взяти площу під кожен вітряк у вигляді правильного шестикутника. Площа такого шестикутника буде дорівнювати:

(2.18)

Розділивши 1 км2 на , отримаємо кількість вітродвигунів, які можливо розмістити на 1 км2, а саме:

(2.19)

З урахуванням значень масової густини повітря і числа π можна отримати формулу для потужності кожної з вітроенергетичних установок, розміщених на площі 1 км2:

(2.20)

де cр – коефіцієнт використання енергії вітру вітроустановкою.

Множачи останній вираз на п, отримаємо сумарну встановлену потужність вітроенергетичних установок, розміщених на 1 км2:

(2.21)

або

(2.22)

Для визначення річного виробітку енергії необхідно знати характеристику вітроенергетичної установки і повторюваність вітру в районі її розміщення. За характеристикою вітроустановки можна визначити коефіцієнт використання енергії вітру при різних швидкостях вітру, а по кривій повторюваності вітру можна визначити число годин роботи вітродвигуна протягом року при кожній швидкості вітру. У таблиці 2.1 наведено розрахункові дані значень встановленої потужності генераторів вітроенергетичних установок, які можна розмістити на 1 кв. км земної поверхні значення вироблюваної ними енергії для різних значень середньорічної швидкості вітру [22].

Таблиця 2.1

Середньорічні швидкості вітру, м/с

3

4

5

6

7

8

9

10

Встановлена потужність генераторів, працюючих від вітродвигунів на 1 км2, кВт

297

435

618

790

1100

1480

1880

2400

Річне вироблення енергії, що отримане з 1 км2, тис. кВттод

445

680

1060

1550

2220

3040

3950

5120

Енергетичними характеристиками вітру є валовий, технічний і економічний ресурси або потенціали [2].

Валовий потенціал

Валовий (теоретичний) потенціал вітрової енергії регіону (країни, континенту) – це частина середньобагаторічної сумарної вітрової енергії, яка доступна для використання на площі регіону протягом одного року.

Розглянутий регіон представляється як сукупність ділянок, або зон, у кожній з яких питома потужність вітрової енергії, а також географічні, кліматичні і погодні умови є однорідними по всій площі 30-ни. Як правило, зони повинні відповідати розташуванню метеорологічних станцій. Валовий потенціал , кВт•год/рік регіону представляє суму валових потенціалів складових його зон.

Питомий валовий потенціал вітрової енергії зони визначається середньою питомою потужністю вітрового потоку (Р), кВт/м2:

(2.23)

де Т = 8760 год/рік.

Розглянемо виведення формули (2.23), оскільки це є надзвичайно важливим моментом для визначення всіх енергетичних характеристик. Валовий потенціал визначається відповідно до допущення, що при обтіканні повітряними потоками перешкоди ("повітряної греблі") висотою "Н" збурений потік повністю відновлюється на відстані рівній 20Н після перешкоди.

Тоді модель визначення валового потенціалу вітрової енергії представляє систему "повітряних гребель" висотою Н, орієнтованих перпендикулярно напрямку вітру і розташованих на плоскій поверхні Землі з відстанню 20 Н один від одного.

Для кожної прямокутної площадки зі сторонами а і 6(5 = ab) з відомою питомою енергією (5 = аb, Вт- год/м2) проходять над майданчиком повітряних мас задача визначення валового потенціалу зводиться до визначення величини площин, що пересікаються повітряними потоками і кількості цих площин ("рамок") на майданчику. Це пояснюється на рис. 2.5.

Очевидно, площа "рамок" дорівнює:

а кількість рамок на майданчику

Модель визначення валового потенціалу вітрової енергії

Рисунок 2.5 – Модель визначення валового потенціалу вітрової енергії

Загальна площа, що пересікається повітряними потоками

(2.24)

Очевидно, що формула (2.20) не зміниться, якщо сторони а і b поміняти місцями по відношенню до швидкості вітру. Тоді валовий потенціал вітрової енергії над ділянкою площею S дорівнюватиме,

Отже, виходить, на перший погляд, парадоксальний результат. Вітрова енергія насправді залежить від площі перетину перпендикулярного швидкості вітру, а у формулі (2.21) вона залежить від площі на поверхні землі. Очевидно весь "фокус" в відстані, взятої між "повітряними" протоками.

Лк видно з формули валовий потенціал в явному вигляді не залежить від товщини шару Н. Ця залежність проявляється через швидкість вітру, яка застосовується для розрахунку потенціалу.

Проте, наведені в таблиці 2.2 дані дозволяють обчислити орієнтовні значення валового потенціалу в будь-якій точці на базі питомого валового потенціалу на висоті 50 м над поверхнею землі при різних географічних характеристиках місцевості. Виділені п'ять градацій середньорічних швидкостей вітру v, м/с, відповідають значенням питомого валового потенціалу вітрової енергії, представленого в табл. 2.2.

(2.25)

Середньорічні швидкості вітру v, м/с, і питомі валові потенціали вітрової енергії, кВт•год/(м2•рік) (на висоті 50 м над рівнем Землі)

Закрита місцевість

Відкрита місцевість

Морський берег

Відкрите море

Пагорби і гори

V

V

V

V

V

>6,0

> 110

>7,5

>220

>8,5

>310

>9,0

>350

>11,5

>790

5-6,0

66-110

6,5-7,5

130-220

7,0-8,5

180-310

8,0-9,0

260-350

10-11,5

530-790

4,4-5,0

44-66

5,5-6,5

88-130

6,0-7,0

110-180

7,8-8,0

180-260

8.5-10

310-530

3.5-4,5

22-44

4,5-5,5

44-88

5,0-6,0

66-110

5.5-7,0

88-180

7,0-8.5

180-310

<3,5

<22

<4,5

<44

<5,0

<66

<5,5

<88

<7.0

<180

Валовий потенціал зони (території) визначається за формулою

(2.26)

де S, м2 – площа зони земної поверхні.

Технічний потенціал

Технічний потенціал вітрової енергії регіону – це сумарна електрична енергія, яка може бути отримана в регіоні від використання валового потенціалу вітрової енергії при сучасному рівні розвитку технічних засобів і дотриманні екологічних норм.

Технічний потенціал регіону являє суму технічних потенціалів складових його зон.

Технічний потенціал, таким чином, залежить від параметрів вітроенергетичної установки, середньорічної швидкості вітру в зоні на висоті оголовка, а також частини площі зони, придатної для спорудження установки. Технічний потенціал може бути визначений за формулою:

(2.27)

де: – коефіцієнт використання енергії вітру, який залежить від швидкості вітру по складному закону, змінюючись від максимального значення рівним 0,593, до мінімального порядку 0,05. Досягнуте максимальне значення складає 0,4-0,45. Для зазначених вище цілей коефіцієнт приймається 0,2; і – відповідно ККД генератора і редуктора вітроустановки, значення яких можна прийняти рівним 0,9; – площа зони (регіону) на якому з урахуванням технічних і екологічних обмежень можливе розміщення вітроустановок. Попередні оцінки показують, що величина цієї площі може коливатися від 10 до 30% всієї площі зони (регіону). Приймаємо ST рівною 12%.

Підставляючи в (2.30) зазначені вище значення, отримаємо співвідношення між валовим і технічним потенціалами:

Економічний потенціал

Економічний потенціал вітрової енергії регіону – це величина річного надходження електричної енергії в регіоні від використання ВЕУ, отримання якої економічно виправдане для регіону при існуючому рівні цін на будівельно-монтажні роботи, обладнання, виробництво, транспортування і розподіл енергії і палива і дотриманні екологічних норм.

Економічний потенціал регіону являє суму економічних потенціалів складових його зон.

На основі аналізу даних щодо відведення площ для розміщення вітроенергетичних установок і технічних характеристик ВЕУ в провідних країнах світу приймаємо, що технічний потенціал регіону становить 2% від його валового потенціалу, а економічний потенціал складає 0,5% від технічного потенціалу цього регіону.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси