Пример расчета параметров ветроэнергетической установки для потребителя малой мощности



Определить пик промышленного потребителя энергии не представляет сложности, т.к. изначально известны мощность и график работы каждой единицы оборудования. Вычисление графика потребления и пика мощности частного потребителя энергии может быть проведено с той или иной вероятностью или прогнозированием в связи с непредсказуемостью графика энергозатрат. В связи с этим задача решается всегда индивидуально с соответствующими допущениями и приближениями.

Методика расчета

1. Расчет пиковой мощности. Определить в соответствии с руководством по эксплуатации мощность каждого прибора P_i (Вт), который может быть использован на исследуемом объекте и занести в таблицу. Определить с соответствующими допущениями простую вероятность включения прибора в различное время суток и отметить это в таблице, проставляя мгновенную потребляемую мощность утром, днем, вечером и ночью. Сложить данные столбцов мгновенной мощности P_i и получить пиковую мощность энергопотребления PП в конкретное время суток – утром, днем, вечером, ночью (P_у, P_д, P_в, _Pн). Пример показан в таблице 1.1. Эти данные используются впоследствии для расчета номинальной мощности инвертора PИ.

(1.1)

Из практики известно, что реальная пиковая мощность подавляющего большинства объектов в конкретное время суток меньше суммы всех мощностей находящихся на объекте приборов, поскольку все электроприборы, как правило, не включаются одновременно. Тем не менее, могут быть исключения, которые должны приниматься во внимание разработчиком. При проведении расчетов допускается формальное увеличение пиковой мощности в конкретное время суток с целью создания «запаса» по мощности и прогнозирования увеличения энергопотребления в будущем.

2. Расчет потребляемой энергии. Определить с соответствующими допущениями время работы каждого прибора в конкретное время суток и занести данные в таблицу. Сложить данные столбцов «утро-день-вечер-ночь» для каждого электроприбора и умножить полученное значение на мощность прибора, получив энергопотребление каждого прибора за сутки. Сумма энергопотребления всех приборов E_сут будет являться количеством энергии, потребляемой объектом в сутки:

(1.2)

Эти данные используются впоследствии для расчета номинальной мощности ветроэнергетической установки и аккумуляторных батарей.

Таблица 1.1

Мощность электроприборов и мгновенная потребляемая мощность

Электроприбор	Установленная мощность Pi, Вт	Мгновенная потребляемая мощность Pi, Вт
		Утро	День	Вечер	Ночь
Телевизор	400	400	0	400	0
Видеомагнитофон	140	0	0	140	0
Компьютер	300	0	0	300	0
DVD-плеер	100	0	0	100	0
Аудио-плеер	80	80	0	80	0
Посудомойка	2000	0	0	2000	0
Стиральная машина	700	0	0	700	0
Электроплита	1600	1600	0	1600	0
Микроволновая печь	1400	1400	0	0	0
Пылесос	1500	0	0	1500	0
Факс-аппарат	110	110	0	0	110
Лампы накаливания	1200	1200	1200	1200	1200
Люстра	400	400	0	400	0
Синтезатор	100	0	0	100	0
Электрочайник	1800	1800	0	1800	0
Утюг	1600	0	0	1600	0
Кофеварка	400	400	0	400	0
Миксер	250	0	0	250	0
Тостер	200	200	0	0	0
Фен	300	0	0	300	0
Телефонный аппарат	30	30	30	30	30
Сигнализация	40	0	40	0	0
Другие приборы	1500	1500	1500	1500	1500
Система обогрева	400	400	400	400	400
ИТОГО в пике Рп:	16550	9520	3170	14570	3240
		Ру	Рд	Рв	Рн

Таблица 1.2

Энергопотребление приборов

Электроприбор	Установленная мощность Pi, Вт	Время использования Ti, час				Потребление электрической энергии Вт-час
		Утро 1 час	День 10 часов	Вечер 4 часа	Ночь 8 часов
Телевизор	400	0,5	0	2	0	1000
Видеомагнитофон	140	0	0	2	0	280
Компьютер	300	0	0	1	0	300
DVD-плеер	100	0	0	1	0	100
Аудио-плеер	80	1	0	1	0	160
Посудомойка	2000	0	0	0,5	0	1000
Стиральная машина	700	0	0	1	0	700
Электроплита	1600	0,3	0	0,5	0	1280
Микроволновая печь	1400	0,2	0	0	0	280
Пылесос	1500	0	0	1	0	1500
Факс-аппарат	110	0,1	0	0	0,1	22
Лампы накаливания	1200	1	0,5	3	1	6600
Люстра	400	0,3	0	2	0	920
Синтезатор	100	0	0	1	0	100
Электрочайник	1800	0,1	0	0,2	0	540
Утюг	1600	0	0	0,5	0	800
Кофеварка	400	0,1	0	0,1	0	80
Миксер	250	0	0	0,1	0	25
Тостер	200	0,2	0	0	0	40
Фен	300	0	0	0,1	0	30
Телефонный аппарат	30	6	6	6	6	720
Сигнализация	40	0	6	0	0	240
Другие приборы	1500	0,5	0,5	0,5	0,5	3000
Система обогрева	400	2	2	2	2	3200
ИТОГО:	16550	13,3	16	26,5	10,6	20217

Рассмотрим задачу со следующими исходными данными:

Мощность приборов согласно руководствам по эксплуатации.

Найти:

Пиковую мощность и среднесуточное энергопотребление объекта.

Решение:

1. Расчет пиковой мощности конкретного объекта. Определим статус работы каждого электроприбора в соответствующем периоде суток (утро, день, вечер, ночь). Для этого составим таблицу присутствующих на объекте приборов аналогично Таблице 1.1 с указанием мощности электроприборов и мгновенной потребляемой мощности в каждый период суток. Найдем пик потребления электроэнергии соответственно в утренние, дневные, вечерние и ночные часы, как сумму мощностей всех используемых приборов. Определим наиболее высокий пик мощности P_п. для каждого периода суток (пример показан в таблице 1.1):

- Утро: Р_у = 9520 Вт;

- День: Р_д = 3170 Вт;

- Вечер: Р_в = 14570 Вт;

- Ночь: Р_н = 3240 Вт;

Максимальная пиковая мощность за сутки P_в = 14570 Вт. Тогда мощность инвертора P должна быть P_И> 14570Вт

Принимаем P_И = 15000 Вт = 15 кВт.

2. Вычислим потребляемую энергию всех периодов энергопотребления в течение суток, т.е. 24 часов. Для этого сложим данные столбцов «утро-день-вечер-ночь» для каждого электроприбора и умножим полученное значение на мощность прибора, получив энергопотребление каждого прибора за сутки в правом столбце таблицы. Найдем сумму полученных значений. Пример показан в таблице 1.2. Количество энергии, потребляемой объектом в сутки, показано в правой нижней ячейке таблицы:

E_СУТ= 20217Вт·ч.

На это значение необходимо ориентироваться при дальнейшем расчете номинальной (установленной) мощности ВЭУ и емкости аккумуляторной батареи.

2. Определение мощности и занимаемой площади ВЭУ

Задача 2.1. Определение номинальной мощности ВЭУ

Определить номинальную мощность ветроэнергетической установки для автономного энергоснабжения объекта с учетом средней скорости ветра в регионе и энергопотребления объекта.

Методика расчета

1. Определить среднюю скорость ветра в расчетном регионе на основании данных метеорологических служб. При этом необходимо иметь в виду, что данные метеостанций являются усредненными. В связи с этим в дополнение к этим данным можно руководствоваться привязкой к местному ландшафту (аэродинамические коридоры лесных массивов и горных цепей, поймы рек, продувные урбанизированные районы), соответствующим изменением климата в регионе (изменение направления и силы ветра, колебания температуры) и т.д. Средняя скорость ветра v_ср выбирается на основе карты ветров. Более точные данные можно получить в соответствующих местных организациях. Кроме этого, существует методика расчета скоростей ветра по вероятному их появлению. Это более сложный путь, но результат, как правило, отличается от предыдущего на 10-15%.

2. Определить среднечасовое энергопотребление объекта на основе данных, полученных в Задаче 1.1 (формула (2.1)).

Потребление энергии в час составляет Е_сут, деленное на 24 часа:

(2.1)

3. Определить номинальную мощность ВЭУ, которая может быть применена для энергоснабжения данного объекта. Мощность P_спец, развиваемая ВЭУ, составляет Е_час, деленное на время потребления, т.е. на 1 час:

(2.2)

Но это – мгновенная мощность, развиваемая ВЭУ на расчетной средней скорости ветра. Определив расчетную скорость ветра по данным локальной метеостанции или проведя собственные вычисления, по таблице 2.2 по средней скорости ветра найти мгновенную мощность ВЭУ P_мгнВЭУ, развиваемую на этой скорости ветра конкретной ВЭУ. Поиск осуществляется по столбцам средней скорости ветра с определением данных, удовлетворяющих условию

(2.3)

Таблица 2.1

Мощность и выработка энергии ВЭУ-3 (Номинальная мощность P_ВЭУ-3 = 3 кВт)

Скорость ветра v, м/сек	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Мгновенная мощность PмгнВЭУ, Вт	60	200	400	700	1100	1700	2500	2900	3300	3400
Суточная выработка ЕсутВЭУ, кВтчас	1,4	4,8	9,6	16,8	26,4	40,8	60,0	69,6	79,2	81,6

В ряде случаев можно поставить не одну, а несколько ветроэнергетических установок (ветропарк). Такое решение обуславливается тем, что чем меньше установка, тем на меньших ветрах она стартует и, соответственно, на меньших ветрах начинается выработка электроэнергии. После этого принять номинальную мощность выбранной ВЭУ за основу для дальнейших расчетов.

Пример расчета 1.

Исходные данные:

Расчетный регион – Омская область;

Данные решения Задачи 1.1.

Найти:

Номинальную мощность ветроэнергетической установки для автономного энергопитания объекта.

Решение:

1. Определим среднюю скорость ветра в регионе на основе данных метеослужб:

v = 3 м/с

Аналогичный расчет может быть проведен с использованием других методик.

2. Среднесуточное энергопотребление объекта из Задачи 1.1

E_СУТ = 20217 Вт·ч.

Соответственно, Е_час:

Найдем подходящую ветроэнергетическую установку из таблицы 2.1. Имея в виду, что в континентальном климате лучше выбрать малые ветроустановки в связи с более продуктивной работой на слабых ветрах, выбираем ВЭУ-3 в количестве 15 шт.

или

15 60 842

Проведем проверку. Общая суточная выработка каждой ВЭУ-3 будет

Суммарная выработка пятнадцати ВЭУ-3:

Это удовлетворяет условиям выражения (2.1), поскольку

или

21000 Вт·ч. ≥ 20217 Вт·ч.

4. Таким образом, в процессе расчетов в качестве энергогенерирующего оборудования выбрана ветроэнергетическая установка ВЭУ-3 в количестве 15 шт. Номинальная (установленная) мощность каждой установки составляет 3 кВт.

Задача 2.2. Определение площади, занимаемой ВЭУ

Определить площадь поверхности земли, занимаемой ВЭУ.

Методика расчета

1. Определить площадь, занимаемую непосредственно самой ветроэнергетической установкой. Она складывается из площади сечения мачты Sм и площади, занимаемой растяжками S_р.

Площадь сечения мачты S_м:

,(2.2)

где S_M – площадь сечения нижнего основания мачты; d – диаметр трубы мачты

2. Определить площадь S_р, занимаемую растяжками. Такие расчеты ведутся только для мачт с растяжками. Для мачт без растяжки эта площадь равна нулю.

Растяжка мачты натягивается под углом Ω к оси мачты (рис. 2.1):

Hр

hΩ

2·R = Dр

Рис. 2.1. Растяжка натянута под углом Ω к оси мачты

Диаметр, на котором расположены фундаменты растяжек (диаметр растяжек) Dр находится через длину мачты h (рис. 2.1):

(2.3)

Рис. 2.2. Схема расположения фундаментов под мачту (в центре) и растяжки

Площадь, занимаемая растяжками, представляет собой треугольник (в случае когда растяжки три) или квадрат (когда растяжки четыре) согласно схеме расположения фундамента мачты и растяжек, рис. 2.2.

Площадь, занимаемая растяжками, вычисляется как площадь вписанного в окружность Sокр квадрата Sкв со сторонами Lкв:

(2.4)

Пример расчета 1

Исходные данные:

Диаметр трубы мачты d=180 мм;

Высота мачты h=12 м;

Угол растяжки Ω=300.

Найти: Площадь поверхности земли (территории), занимаемой ВЭУ.

Решение:

1. Определим площадь S_М, занимаемую мачтой:

2. Определим площадь S_р, занимаемую растяжками.

Диаметр растяжек по (2.3):

Площадь, занимаемая растяжками, вычисляется как площадь

вписанного в окружность квадрата со сторонами L_кв:

3. Аэродинамические параметры ВЭУ

3.1. Расчет параметров ротора ВЭУ

Ротор (или ветроколесо) ветроэнергетической установки состоит из ступицы (гондолы) и лопастей. В горизонтально-осевых конструкциях, как правило, устанавливается мультипликатор. Однако в задаче он во внимание не принимается.

Методика расчета

1. Вычислить аэродинамическую мощность с помощью электрической мощности. Электрическая мощность ВЭУ PЭ вычисляется через аэродинамическую мощность PА через коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) ξ:

(3.1)

Реальный ξ горизонтально-осевых установок изменяется в пределах 0,25…0,47. Реальный ξ вертикально-осевых установок изменяется в пределах 0,09…0,48.

Теоретический максимальный КИЭВ является идеальным и на практике недостижимым в связи с неизбежным наличием потерь:

ξ_ж = 0,593 по Жуковскому-Бетцу (наиболее употребим в вычислениях) ;

ξ_С = 0,687 по Сабинину.

2. Определить ометаемую площадь ротора S при постоянной скорости ветра v в ламинарном потоке.

Аэродинамическая мощность является энергией набегающего потока ветра, передаваемой ротору (ветроколесу) ВЭУ за 1 секунду:

(3.2)

где P_А – аэродинамическая мощность, Вт;

ρ – плотность воздуха, проходящего через ротор (принимается 1,2041 кг⁄м³ в сухом воздухе при температуре 20 °C и давлении 101,325 КПа), кг⁄м³;

v – скорость ветрового потока до встречи с ротором, м/с;

m – масса воздуха, проходящего через ротор за 1 секунду, кг;

V – объем воздуха, проходящий через ротор за 1 секунду, м³;

S – ометаемая площадь ротора (у горизонтально-осевых установок это площадь проекции ротора на плоскость, перпендикулярную оси вращения, у горизонтально-осевых установок это площадь проекции ротора на плоскость, перпендикулярную оси вращения, у вертикально-осевых установок это площадь проекции ротора на плоскость, параллельную оси вращения), м².

Таким образом, ометаемая площадь ротора S определяется однозначно из (3.2).

3. Определить диаметр ротора для горизонтально-осевых установок (диаметр и высоту ротора для вертикально-осевых установок).

Для горизонтально-осевых роторов:

, (3.3)

где π – безразмерная константа, равная 3,14;

D – диаметр ротора.

Для вертикально-осевых роторов:

, (3.4)

где: D – диаметр ротора;

H – высота ротора.

На основе выражений (3.3) и (3.4) можно найти диаметр ВЭУ. Необходимо отметить, что параметры ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки определяются неоднозначно, поэтому для определения соотношения диаметра D и высоты H необходимы дальнейшие вычисления.

Замечание: На практике необходимо увеличить ометаемую площадь на 33-35% с учетом поправки на реальный КИЭВ, составляющий 65-67% от идеального:

, (3.5)

4. Делается вывод о технической и экономической целесообразности изготовления ротора и его применимости в конкретных условиях на основе габаритных размеров.

Пример расчета 1

Исходные данные:

Тип ВЭУ – вертикально-осевая;

Номинальная мощность ВЭУ PЭ = 3 кВт;

Номинальная скорость вращения v = 11 м/с;

Найти: Размеры ветроколеса: диаметр D и высоту H.

Решение:

1. Из формулы 3.1 находим идеальную аэродинамическую мощность PА при идеальном КИЭВ по Жуковскому:

(идеальный вариант)

(идеальный вариант)

2. Из формулы 3.2 находим ометаемую площадь ротора S:

На практике необходимо увеличить ометаемую площадь на 33-35% с учетом поправки на реальный КИЭВ, составляющий 65-67% от идеального:

S_реал = S·1,33 = 8,4 м²

3. Из формулы 3.3 находим диаметр ротора D:

Вывод: приведенная модель расчёта позволяет определить следующие параметры ВУЭ: Расчет пиковой мощности и потребляемой энергии, Определение номинальной мощности ВЭУ, Определение площади, занимаемой ВЭУ Расчет параметров ротора ВЭУ. Благодаря этим расчётам мы можем выбрать какой по мощности ветрогенератор нам стоит выбрать, а также его размеры. Изготовление ВЭУ реально, применение целесообразно.

Расчёты приведены теоретические и возможна погрешность 5%.

Литература:

1. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии /Дж. Твайделл, А. Уэйр; [пер. с англ. под ред. В.А. Коробова]. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 391 с.
2. Да Роза, Альдо. Возобновляемые источники энергии /А. да Роза; [пер. с англ. под ред. С.П.Малышенко и О.С.Попеля]. – М.: Интеллект, 2010. – 703 с.
3. Безруких, П.П. Использование энергии ветра / П.П. Безруких. – М.: Колос, 2008. – 196 с.
4. Безруких, П.П. Ветроэнергетика: справ. пособие / П.П. Безруких. – М.: ИД Энергия, 2010. – 320 с.
5. Беспалов, В.Я. Электрические машины: учеб. пособие / В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец. – М.: Академия, 2011. – 320с.
6. Фортов, В.Е. Энергетика в современном мире / В.Е. Фортов, О.С. Попель. – М.: Интеллект, 2011.- 168 с.
7. Соломин, Е.В. Итерационная оптимизация параметров и режимов работы вертикально–осевых ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2011. – Вып. 15(232). С.73–81.
8. Соломин, Е.В. Информация / Е.В. Соломин // ГРЦ–Вертикаль. – www.src–vertical.com. – С. 1.
9. Скорости ветра в России и строительство ветряных электростанций / Интернет-ресурс. – http://www.manbw.ru/analitycs/windrus.html. – С. 1.
10. Wind Energy Integration in the Urban Environment / Интернет-ресурс. – http://www.urbanwind.net/wineur.html. – С. 1.
11. Prices on solar panels / Интернет-ресурс. – http://www.alibaba.com/product-gs/202294126/solar_module_price.html. – С. 1.
12. Solar Cells, Solar Panels / Интернет-ресурс. – http://www.alibaba.com/Solar-Cells-Solar-Panel_pid52806. – С. 1.
13. Ветрогеография РФ / Интернет-ресурс. – http://www.srcvertical.com/
    wind_geography/wind_russia/. – С. 4.
14. Солнечные модули / Интернет-ресурс. – http://www.solwind.ru/?p=sm&lang=1. – С. 2.