Дипломная работа: Альтернативные источники энергии

Мгновенная скорость ветра часто определяет динамическое воздейст­вие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристи­ки потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регули­рования и ориентации. Количество энергии, которую может выработать ветроагрегат, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра за определенный интервал времени и по всему сечению потока, равному площади поверхности, ометаемой ветроколесом. Именно эта скорость в основном определяет также режимы работы агрегата.

Средняя скорость ветра vза выбранный промежуток времени Т = t₂ —t₁ определяется отношением суммы измеренных значений мгновен­ной скорости Vj к числу измерений n:

Среднесуточную скорость v_сут находят делением на 24 суммы среднеча­совых скоростей v₄ , а среднегодовую v_r — делением на 365 суммы всех

v_cyT за год.

Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев — по материалам анеморазведок. В зависимости от категории и класса метеостанции, требований и особенностей объектов, находящихся побли­зости от обслуживающих станций, метеорологические сроки наблюдений за скоростью ветра устанавливаются различные. Чаще всего приняты интервалы в 3, 4 или 6 ч с измерениями в определенное время, но на части метеостанций и специальных объектов ведут непрерывную запись ско­ростей (например, на Московской и других телебашнях, при некоторых аэропортах, в зонах с аномальным ветровым режимом и т.д.) или прово­дят ежечасные наблюдения.

Класс открытости метеостанции, степень защищенности (затененности препятствиями) анемометра учитывают при измерениях скорости ветра различных направлений (по румбам). Для классификации станций поль­зуются специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, которая изложена в литературе по метеорологии. Методика обеспечивает возмож­ность лучшей сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны. На метеостанциях получают и накапливают доста­точно точные для практики сведения о среднепериодных скоростях, ко­торые в сравнении с данными, вычисленными по среднечасовым скорос­тям, дают относительно небольшую погрешность. Надо иметь в виду, что на показания анемометров влияют их расположение, макро- и микро­рельеф местности, класс открытости метеостанции. Это следует учиты­вать при пересчете скоростей для определенной высоты и для каждого конкретного района, где предполагается установка ветроагрегата, даже если он расположен сравнительно недалеко от станции.

Средние скорости ветра меняются в различное время суток, разные ме­сяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяющий общую тенденцию их изменения в ука­занные периоды и оценивающий макроструктуру воздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные об его интенсивности и микроструктура потока в различных точках его поперечного сечения и продольного вектора за относительно короткие интервалы времени яв­ляются важными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации, схем совмест­ного использования с другими установками и др.

Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние зем­ной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а порывис­тость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой. При адиабатическом градиенте температуры в нижних слоях атмосферы вертикальный профиль ветра v (К) аппроксими­руется зависимостями вида

Важнейшее значение для надежности и долговечности ветроэнергети­ческой установки имеют значения предельных скоростей ветра в зоне. \ Они определяют принимаемые расчетные нормативы при проектировании узлов и конструкций установки на прочность, параметры регуляторов, аэродинамические характеристики лопастей. При определении расчетных значений максимальных скоростей ветра различной вероятности, поль­зуются формулой Л.С. Гандина и Л.Е. Анапольской

где F(x) — вероятность того, что v превзойдет заданное значение х; (1, у - параметры уравнения, зависящие от характеристик зоны и режи­мов ветра; е — основание натурального логарифма.

Для оценки относительной скорости ветра в метеорологической прак­тике используют коэффициент, %,

где - — измеренная в определенный час скорость; v - средняя скорость за выбранный промежуток времени; v_{max >} v_min — экстремальные значе­ния скорости ветра за этот период.

Линии, соединяющие точки на карте, имеющие равные величины К', называются изоплетами.

Энергия Е воздушного потока с поперечным сечением F, Дж:

E = mv² /2.

Секундная масса т воздуха, протекающая со скоростью v через это сече­ние, кг/с:

m =pFv.

Подставляя E в m, получаем, Дж/с,

E = pv³ F/2,

где р — плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м³ (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.).

Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра £. Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина £, рассчитанная по классической теории Н.Е. Жу­ковского и теории Г.Х. Сабинина, равна соответственно 0,593 и 0,687. Современные ветродвигатели при работе в номинальном (расчетном) режиме преобразуют в механическую работу не более 45 — 48% кинетической энергии ветрового потока, что вызвано различными потерями и другими причинами. Кинетическая энергия, которой потен­циально обладает ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха tи атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд­ная энергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м² , при t = +15°С и p= 101,3 кПа округленно составляет:

Скорость ветра, м/с....... 4 6 8 10 14 18 22

Мощность потока, кВт/м² ... 0,04 0,13 0,31 0,61 1,67 3,6 6,25

По отношению к этим условиям изменение температуры воздуха от + 15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоян­ной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, напри­мер, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию по­тока примерно на 6%.

§1.3ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Последняя с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В зависимости от на?