Навигация
3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
3.1. Выбор типа ветроэнергетической установки
Все ветроэнергетические установки (В-установки) можно классифицировать следующим образом (лист 1).
К В-установкам с вертикальной осью вращения относятся установки карусельного типа. Наиболее эффективной из них по использованию энергии ветра является В-установка типа ротора Савониуса, в которой ветер воспринимается приблизительно 2/3 рабочей поверхности ветроколеса.
К достоинствам такого типа В-установок относятся:
- простота конструкции;
- не требуется ориентация по ветру;
- для некоторых конструкций (например, ротор Савониуса) довольно значительный вращающий момент.
К недостаткам относятся:
- низкая скорость вращения, не более скорости ветра;
- значительная зависимость крутящего момента от скорости ветра.
Так как В-установки с вертикальной осью вращения являются тихоходными, то для привода генератора требуются редукторы с большим передаточным числом. Кроме того, сильно выраженная зависимость их крутящего момента и скорости вращения от скорости ветра требуют ряда усовершенствований, увеличивающих их сложность и стоимость (маховик, шторы для уменьшения потока ветра и т.п.). В этой связи В-установки карусельного типа применяются, в основном, для водоподъема, где не требуется поддержания стабильной скорости вращения.
Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения, расположенной параллельно ветру, называются В-установками пропеллерного типа и могут быть тихоходными (с числом лопастей более шести) и быстроходными (с числом лопастей до шести). Тихоходные установки менее эффективны для выработки электроэнергии, т.к. необходимы редукторы с большим передаточным числом. Поэтому они здесь не рассматриваются.
Быстроходные В-установки пропеллерного типа разделяются по способу расположения ветроколеса: за башней (самоустанавливающиеся на ветер) и перед башней (требующие устройства установки на ветер). В качестве устройства установки на ветер для маломощных В-установок применяется флюгер. Если рассматривать В-установку в качестве двигателя электрогенератора, то быстроходные установки пропеллерного типа по сравнению с другими обладают следующими преимуществами:
- высокая скорость вращения, что позволяет применять редуктор с малым передаточным числом или вообще обходиться без редуктора;
- наиболее высокий к.п.д.;
- наименее выражена зависимость крутящего момента от силы ветра;
- возможность авторегулирования скорости вращения.
К недостаткам В-установок пропеллерного типа можно отнести более сложную конструкцию и значительный гироскопический момент. Однако, современное состояние техники изготовления В-установок пропеллерного типа позволяет значительно упростить расчеты крыла и уменьшить влияние гироскопического момента /18,22 /.
Исходя из изложенного, для привода электрогенератора принимается быстроходная В-установка пропеллерного типа. Справедливость такого решения подтверждается мировой практикой использования энергии ветра для электроснабжения /18/.
3.2. Обоснование и расчет ветроколеса
Конструктивными параметрами ветроколеса являются число лопастей, диаметр, профиль лопасти, угол защемления.
От количества лопастей ветроколеса зависит его номинальная скорость вращения, при которой достигается максимальный к.п.д. /19,43,23/. Чем больше лопастей содержит ветроколесо, тем больше его крутящий номинальный момент, но тем меньше его же номинальная скорость вращения. Момент на валу генератора от ветроколеса определяется по формуле /21,46 /:
, (3.2.1.)
где: Мг - момент на валу генератора от ветроколеса, Нм;
Мвт - момент на валу ветроколеса, Нм;
nГН,nВН - номинальные обороты генератора и ветроколеса соответственно, об/мин.
В силу того, что необходимо иметь максимальный момент на валу генератора, а не ветроколеса, то нельзя без расчетов утверждать, что ветроколесо с большим количеством лопастей, а значит и с большим крутящим моментом, будет более эффективно, так как при этом уменьшается отношение nГН/nВН.
Крутящие моменты ветроколес зависят от профиля лопасти, который выбирается исходя из назначения и мощности ветроустановки. Для В-установок малой и средней мощности, приводящих во вращение электрогенераторы, приемлем профиль "Эсперо", и имеются справочные данные об относительных моментах ветроколес с таким профилем лопастей /43/. Под относительным моментом подразумевается отношение момента ветроколеса с конкретным количеством лопастей к моменту условного ветроколеса с бесконечным количеством лопастей, при котором крутящий момент принят равным единице /43/. С учетом этого, функция оптимизации будет иметь вид:
(3.2.2.)
где: Мг,Мв - относительные моменты, о.е.
Так как момент зависит от скорости вращения ветроколеса, которая в свою очередь зависит от скорости ветра, то вводится понятие "модуль ветроколеса" /18,43/, который равен:
(3.2.3.)
где: Z - модуль ветроколеса,о.е.;
w - угловая скорость вращения ветроколеса, с-1;
R- радиус ветроколеса, м;
Vв - скорость ветра, м/с.
В таблице 3.2.2. приведены относительные моменты на валу генераторов от ветроколес, работающих в номинальных режимах.
Таблица 3.2.1.
Относительные моменты и модули ветроколес с лопастями "Эсперо".| Параметры | Значение параметров при м | |||
| 2 | 3 | 4 | 6 | |
| Vв, м/с | 6,5 | 6,5 | 6,5 | 6,5 |
| Мопт, о.е. | 0,09 | 0,12 | 0,14 | 0,19 |
| Zном, о.е. | 5,0 | 4,0 | 3,5 | 2,5 |
| nВН, об/мин | 310 | 250 | 220 | 155 |
| Ммах, о.е. | 0,100 | 0,135 | 0,150 | 0,195 |
| Zмах, о.е. | 4,40 | 3,30 | 3,00 | 2,30 |
| nВ МАХ,об/мин | 275 | 200 | 185 | 140 |
| | 1,11 | 1,13 | 1,07 | 1,03 |
| | 1,14 | 1,21 | 1,16 | 1,09 |
, о.е.
, о.е.Таблица 3.2.2.
Моменты на валу генераторов от ветроколес| Число лопастей | Момент на валу генератора(о.е.*10-2) при n0, об/мин | ||||||||
| 3000 | 1500 | 1000 | 750 | 600 | 500 | 375 | 300 | 250 | |
| 2 | 0,75 | 1,5 | 2,3 | 3,0 | 3,8 | 4,5 | 6,0 | 7,5 | 9,0 |
| 3 | 0,80 | 1,6 | 2,4 | 3,2 | 4,0 | 4,8 | 6,4 | 8,0 | 9,6 |
| 4 | 0,82 | 1,6 | 2,4 | 3,2 | 4,1 | 4,9 | 6,5 | 8,2 | 9,8 |
| 6 | 0,79 | 1,6 | 2,4 | 3,2 | 4,0 | 4,8 | 6,3 | 7,9 | 9,5 |
Как видно из таблицы 3.2.2., наиболее предпочтительными для всех генераторов являются ветроколеса с числом лопастей от 3 до 6. Но так как ветроколесо с тремя лопастями обладает (см. табл. 3.2.1.) наибольшей перегрузочной способностью (Ммах/Мопт) и наибольшим диапазоном рабочих скоростей (Zном/Zмах), то окончательно принимается ветроколесо с тремя лопастями. Так как номинальные обороты ветроколеса небольшие, то целесообразно применять генераторы с большим числом пар полюсов р > 3.
Диаметр ветроколеса связан с мощностью ветроэнергетической установки следующей формулой /18,43,45/:
, (3.2.4.)
где: hв, hп - к.п.д. ветроколеса и передачи;
V/ - математическое ожидание скорости ветра в рабочем диапазоне, м/сек.
r - плотность воздуха кг/м3, r = 1,36 кг/м3 / 21 /.
Для трехлопастного ветроколеса hв = 0,45 /43/. К.П.Д. передачи принимаем ηп = 0,98 /21/. Расчет ведем для генератора с nг = 500 об/мин. Рабочий диапазон скоростей ветра 4...16 м/с /38/.
Для этого диапазона Vв = 6,5 м/с, iп = 1,5.
(м)
Принимаем D = 4,0 м.
Внешний вид предлагаемой В-установки показан на листе 6.
Похожие работы
... северных регионов за счет возведения двойной оболочки здания с использованием солнечной энергии можно обеспечить до 40% экономии тепла. Учитывая развитие технологий возобновляемой энергетики, с должной долей уверенности можно сказать о реальной возможности создания эффективной системы энергоснабжения удаленных от центральной энергосети сельских домов при условии комбинированного использования ...
... словами можно сказать - BIOS - это набор программ, которые переводят понятные пользователю команды Windows на язык, понятный компьютеру. Если говорить более конкретно о системах ввода информации и распознания текста, стоит рассмотреть Windows XP Tablet PC Edition. Microsoft сопроводила выход новой версии громким девизом: "Новая операционная система с улучшенными возможностями рукописного ввода ...
... комплект генераторов на дизельном топливе можно запустить, синхронизировать и подключить к изолированной сети менее чем за две секунды. Преобразование энергии ветра является альтернативным возобновляемым источником энергии, чтобы заменить дорогостоящее топливо. Новые исследования технической осуществимости проектов использования ветроустановок совместно с дизельгенераторами в изолированных сетях ...
... дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования. Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CulnSe2) - 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны - 1,0 эВ) [4]. ...
0 комментариев