Вопрос. Кинетическая энергия воздушного потока. Мощность, развиваемая ветроколесом.

Экзаменационный билет №4

Вопрос. Потенциал малой гидроэнергетики России и Сибири.

Технически возможный потенциал малой гидроэнергетики в России составляет примерно 41 ГВт мощности и 372 млрд кВтч ежегодной выработки. Экономически эффективный к использованию потенциал точно не определен, ориентировочно он составляет порядка 55% от технического.

Большая часть гидроэнергетического потенциала малых рек сосредоточена в Сибири и на Дальнем Востоке. В Европейской части России большие возможности для создания малых ГЭС существуют на Северном Кавказе, Урале, в Карелии и Мурманской области.

Перспективна установка малых ГЭС на плотинах большого количества водохранилищ, созданных в интересах водоснабжения, ирригации, водного транспорта, рекреации, на ирригационных каналах, системах водоснабжения и канализации. Кроме того, возможно восстановление сотен малых ГЭС, ранее выведенных из эксплуатации, но сохранивших полностью или частично основные сооружения.

Сибирские регионы обладают самым большим гидропотенциалом для строительства малых ГЭС. Несмотря на целый ряд трудностей, именно такие станции могут стать решением проблемы энергоснабжения для отдаленных районов

Сибирь привыкла жить большими проектами. Если завод — то на половину города, если ГЭС — то обязательно самая большая. Однако в последнее время специалисты все больше говорят о малых ГЭС — станциях мощностью до 25 МВт, которые, конечно, не претендуют на глобальную роль в сибирской энергетике, но вполне могут решить проблему энергообеспечения отдаленных поселков и небольших промышленных объектов. Последний раз гидроэнергетический потенциал, который могут обеспечить для сибирских регионов малые ГЭС, всерьез оценивался в 1970–1980 годах. Сегодня бизнес вновь возвращается к советским проектам. По понятным причинам в авангарде этого движения стоит государственное ОАО «РусГидро», которое сегодня уже работает в республике Алтай над реализацией проекта каскада малых ГЭС на реке Чуе. Однако за подобные проекты в других регионах готовы браться и частные компании. Оптимизма добавляют расчеты ученых и практиков, согласно которым подобные проекты в Сибири вполне могут быть рентабельны.

Родина малых ГЭС

История развития малой гидроэнергетики в Сибири началась не вчера и даже не в прошлом веке. Макрорегион вообще может считаться одним из центров зарождения отечественной гидроэнергетики, которая возникала здесь по вполне объективным причинам — развивающаяся еще в конце XIX века кустарная промышленность требовала минимального энергоснабжения. В результате первые из известных нам малых ГЭС в Сибири появились на золотодобывающих рудниках на территории современного Бодайбинского района Иркутской области (река Ныгра) в 1896 году. Тогда мощности станции вполне хватало для обеспечения работы нескольких рудников. А позже от станции построили две ЛЭП и электрифицировали местную железную дорогу — первой в России. Всего же еще до советского периода здесь было построено порядка пяти малых ГЭС, которые к тому же дали стране первый опыт работы нескольких энергообъектов в единой энергосистеме.

Следующий период бурного развития малой гидрогенерации пришелся уже на 1930–1950 годы. В той же Иркутской области в середине прошлого века за счет построенной Полежаевской ГЭС были электрифицированы все колхозы Черемховского района, в республике Алтай (тогда еще автономная область) построена Чемальская ГЭС (ныне — один из самых посещаемых туристических объектов региона), по несколько станций было создано даже в таких «равнинных» регионах, как Новосибирская и Томская области. Всего же по стране в это время каждый год вводилось до тысячи подобных объектов.

«Пик развития малой гидроэнергетики в области и стране приходится на начало 1950 годов. На малых реках в это время построено около десятка межколхозных ГЭС небольшой мощности, которые обеспечивали хозяйства электроэнергией вплоть до середины 1960 годов — времени подключения сельских районов к государственной электрической сети. В начале 1970-х в связи с развитием единой государственной энергосистемы интерес к малым гидроэнергостанциям был утрачен. Все они, в том числе и перечисленные, были выведены из эксплуатации, списаны и демонтированы», — отмечает доцент кафедры гидротехнических сооружений и гидравлики Общее количество сохранившихся (не только действующих, но и физически существующих) малых ГЭС в Сибири посчитать не представляется возможным. Фактически в ряде регионов только сейчас началась ревизия подобных сооружений. Есть в Сибири и действующие малые ГЭС, например Енашиминская ГЭС в Североенисейском районе Красноярского края, построенная в 1955 году, ныне имеет мощность 5,3 МВт, связана с единой энергосистемой через ПС 110 кВ «Новая Еруда» и другие

Вместе с тем, судя по мировым тенденциям, именно малые ГЭС как один из источников возобновляемой энергетики являются наиболее перспективными энергетическими объектами для инвесторов.

вопрос. Кинетическая энергия воздушного потока. Мощность, развиваемая ветроколесом.

При расчёте возможностей ветродвигателей необходимо учитывать энергию ветра, которая будет вращать генератор. Величина этой энергии зависит в основном от размеров ветряка и скорости ветра. Фактически полученная электрическая энергия от ветродвигателя зависит от конструкции ветряка, потерь и режима работы системы.

Ветер образуется из-за неравномерного прогрева солнцем земной поверхности и воздушных масс. Воздух раной температуры имеет различную плотность, что вызывает как вертикальные, так и сложные горизонтальные перемещения воздуха. Как и всякое движущиеся тело, воздух обладает кинетической энергией, которая используется для привода в движение ветродвигателей.

Кинетическая энергия Т, которой обладает воздушный поток зависит от его массы m и скорости v и может быть определена по формуле:

Если в эту формулу подставить значение массы воздуха, протекающей через ветровое колесо за 1 секунду, то получим выражение для секундной энергии потока, или, что то же самое, для его мощности:

Где: массовая плотность воздуха, равная при температуре 15⁰С и давлении 760 мм ртутного столба 0,125 кгс²/м⁴;

ометаемая ветроколесом поверхность (м);

V – скорость ветра (м/с);

γ – удельный вес, т.е. вес одного кубического метра воздуха (кг/м²)

g – ускорение земного тяготения, равное 9,81 м²/с²;

D – диаметр ветроколеса (м)

Из этой формулы видно, что секундная энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости, т.е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока увеличилась в 2³ = 8 раз.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также пропорционально квадрату диаметра ветроколеса, т.е. при увеличении диаметра в два раза, мощность при той же скорости ветра увеличится в 4 раза.

Значения удельной мощности ветрового потока в зависимости от скорости ветра
V, м/с	2	3	4	5	10	14	18	20	23	25
N_уд Вт/м²	4,9	16,55	39,2	76,6	613	1682	3575	4904	7458	9578

Однако в механическую можно превратить только часть энергии потока, протекающей через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

Число показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается ξ.

Мощность ветродвигателя на валу ветроколеса , т.е. без учёта потерь в передачах и подшипниках, может быть подсчитана по формуле:

Величина коэффициента использования энергии ветра ξ прежде всего зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, ξ – от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколёса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т.е. превращать в механическую работу 42% - 46% энергии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей с большим количеством лопастей, значения ξ могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Наибольший коэффициент использования энергии ветра ветроколесо имеет лишь при определённой быстроходности, т.е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный ξ. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигателей равно 0,593.

Крыльчатые ветродвигатели делятся на быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4-х и тихоходные имеющие больше 4-х лопастей. Быстроходовые ветродвигатели имеют более простую передачу к генератору электрической энергии, несколько проще в изготовлении и легче по весу. Их недостаток в том, что для начала движения ветряка, им нужна довольно большая скорость, 3-4 м/с.

Тихоходные ветродвигатели имеют больший момент вращения и начинают работу при меньшей скорости ветра. При малых скоростях, как видно из таблицы, энергия ветра намного меньше, поэтому общий прирост энергии небольшой. У тихоходных ветряков обычно больше потери в редукторе, такие ветряки менее устойчивы при очень больших ветрах, поэтому получили меньшее распространение, чем быстроходные.

Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) это число которое показывает, какая часть воздкшного потока используется ветроколесом. Мощность ветроколеса на валу т.е. без учета потерь в передачах и подшипниках, можно подсчитать по формуле ;

p - массовая плотность воздуха, (при нормальных условиях-0,125).

V - скорость ветра (м/сек).

F - ометаемая ветроколесом поверхность(в метрах квадратных).

Е - коэффициент использования энергии ветра.

Рассчитать площадь ометания можно по формуле ;

Для нормальных условий (температура 15°Ц и давлении 760 мм ртутного столба) , мощность можно рассчитать по упрощенной формуле ;

- в лошадиных силах

- в киловатах

D - диаметр ветроколеса (в метрах).

Коэффициент использования энергии ветра - (Е) зависит от типа ветродвигателя, то качества изготовления и других параметров. Лучшие быстроходные ветродвигатели, имеющие обтекаемые аэродинамические лопасти достигают значение Е = от0.43 до 0.47

Это значит что ветроколесо такой ВЭУ может полезно использовать 43-47 процентов энергии воздушного потока.

Максимальное, теоретически вычесленное значение Е = 0.593 но на практике этого достигнуть не возможно.

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 1761; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!