Факторы, от которых зависит выходная мощность генератора

Проведем анализ величин, входящих в состав выражения (4.5) для выходной мощности генератора.

 

4.6.1. Плотность воздуха ρ

При нормальных условиях (атмосферное давление р = 101,3 кПа или 760 мм рт. ст. и температура 15°С) плотность сухого воздуха составляет 1,225 кг/м³ [4].

Плотность воздуха зависит от температуры, атмосферного давления и влажности.

Влияние температуры

Изменение температуры воздуха от + 15°С до 0°С повышает мощность воздушного потока примерно на 6%, а при увеличении с +15°С до +30°С энергия, заключенная в потоке, напротив, снижается на 5% [6].

Зимой воздух более плотный, и работа ВЭУ более эффективна зимой и менее - в летние жаркие месяцы.

В случае с фотоэлектрическими системами ситуация противоположная. В климатических условиях Дании фотоэлектрическая система эффективна на 18% в январе и на 100% в июле. Эффективность работы ветростанции в июле - 55%, а в январе - 100%. Оптимальным вариантом является комбинирование в одной системе малой ВЭУ и солнечной системы [4].

Влияние давления

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% [6].

Атмосферное давление снижается с увеличением высоты над уровнем моря: почти на 10% при высоте 1 км и на 20% при высоте 2,5 км над уровнем моря, что приводит к соответствующему снижению потенциала ветровой энергии [55].

Влияние влажности

С увеличением влажности воздуха его плотность уменьшается.

 

Скорость ветра

Скорость ветра существенно влияет на количество электроэнергии, выработанной ВЭУ.

95% всей энергии российского ветра заключена в диапазоне скоростей от 4 до 12 м/c (при скоростях ниже – ничтожна мощность, более высокие скорости – редки) [16].

ВЭУ рационально использовать в местности, где среднегодовая скорость ветра составляет не менее 3,5 м/с [15].

Рабочий диапазон скоростей ветра для ВЭУ: от 3 [4] до 25 м/с [15]. Малые ВЭУ могут работать и при скорости ветра меньше, чем 3 м/сек [4].

Большинство ВЭУ достигают своей номинальной мощности при скорости ветра около 7-10 м/с [15]. Для России скорость, на которую должен быть рассчитан бытовой ветряк для получения максимума мощности, можно принимать 5 м/с [16].

Большие скорости ветра могут привести к разрушению ВЭУ. При скорости ветра выше допустимой ветроколесо останавливается с помощью системы автоматического перевода лопастей во флюгерное положение [15].

Флюгерное положение лопасти – положение, при котором лопасть, подобно флюгеру, имеет минимальное для ветра сопротивление (ветер направлен вдоль основной поверхности лопасти).

Для России, когда ветер превышает 12 м/с, уже должна срабатывать штормовая защита, чтобы не рисковать [16].

Если от ВЭУ требуется мощность, то нет нужды заставлять ее эффективно работать при малом ветре (3 м/с и менее). Это даст очень незначительный прирост мощности. Проще увеличить на пару процентов диаметр ветроколеса. Если же назначение ВЭУ таково, что главным является число рабочих часов, в течение которых вырабатывается электроэнергия, пусть и незначительной мощности (например, в отсутствие аккумуляторов), то работа при малых скоростях ветра становится важной [16].

Скорость ветра уменьшают растительность и строения. С увеличением высоты это влияние уменьшается и исчезает.

Приблизительно в 30 км от береговой линии ветер над океаном дует с мало изменяющейся скоростью около 10 м/с (самый подходящий режим для работы ветряков) [33]. В настоящее время в море стоят менее 30% ветряков, и наблюдается тенденция к их увеличению (рис.4.4) [12]. Обычно такие ВЭУ располагаются на расстоянии 10…12 км от берега [14]. Такие ветроэлектростанции называют оффшорными. Однако установка ВЭУ на глубоководье обходится очень дорого из-за сложности монтажа и передачи электроэнергии [33] (см.п.4.16).

Рис. 4.4. ВЭУ на морском побережье

Самая большая скорость ветра над поверхностью земли была зарегистрирована 8 марта 1972 года на базе ВВС США в Туле (Гренландия) – 92,5 м/с (44 м над уровнем моря). Во время московского урагана 1998 года скорость ветра достигала 26 м/с.

4.6.3. Площадь S _вк, охваченная лопастями, и число лопастей

Механическая мощность ветроколеса (и электрическая мощность ветрогенератора при прочих равных условиях) пропорциональна площади S _вк, охваченной лопастями, то есть квадрату диаметра D _вк, описываемому концами лопастей.

С другой стороны:

1) Увеличение размера лопастей ветроколеса приводит к увеличению механических нагрузок на элементы конструкции, что повышает стоимость ВЭУ [4].

2) По оценкам одного из советских конструкторов ветродвигателей В.П.Ветчинкина, пропорционально кубу диаметра D _вк возрастает стоимость ВЭУ [16].

Число лопастей практически не влияет на мощность на валу ветроколеса (а, следовательно, и на выходную мощность ВЭУ) [10].

 

4.6.4. Коэффициент использования энергии ветра k _ис и угол атаки

Коэффициент использования энергии ветра k _ис не имеет отношения к КПД ветрогенератора η_г.

Коэффициент использования энергии ветра характеризует отношение механической энергии, снимаемой с ветроколеса, к кинетической энергии ветра, захватываемого этим ветроколесом:

k _ис= W _в/ W _к

Выделим два фактора, определяющих значение коэффициента использования энергии ветра:

а) тип ветродвигателя;

б) угол атаки.

Тип ветродвигателя

Крыльчатое ветроколесо: 0,593 (максимально возможное значение); 0,49÷0,52 [15]; 0,45-0,48 [25]; 0,43 [16] (максимальные достигнутые на практике значения).

Ветроколесо карусельного и барабанного типа: 0,192 (максимально возможное значение) [25]; 0,15-0,18 [10] (максимальные достигнутые на практике значения).

Максимально возможный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса был рассчитан Николаем Егоровичем Жуковским (статья "Ветряная мельница типа НЕЖ. Статья третья", 1920).

Как получилось это число? В ветряк попадает 2/3 набегающего потока, находящегося в площади, ометаемой ветроколесом (1/3 отклоняется); в идеальном случае скорость отходящего потока составляет 1/3 от скорости входящего (т.е. 1/9 часть энергии уносится с отходящим потоком): 2/3*8/9=0,593 [24].