рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры
- Раздел Образование
- /
- Таблиця 2.2 – Значення коефіцієнту лобового тиску
Реферат Курсовая Конспект
Таблиця 2.2 – Значення коефіцієнту лобового тиску
Таблиця 2.2 – Значення коефіцієнту лобового тиску - раздел Образование, ОСНОВИ КОНСТРУЮВАННЯ ЕНЕРГОУСТАНОВОК З ВІДНОВЛЮВАНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ЕНЕРГІЇ № П/п Назва Моделі Коефіц...
| № п/п | Назва моделі | Коефіцієнт лобового тиску Rx | Відстань точки прикладання рівнодіючої від основи (х/Н),% |
| Чотиринога ферменна | 0,00085 | 42,8 | |
| Циліндрична суцільна | 0,00105 | - | |
| Конічна суцільна | 0,0013 | 41,2 | |
| Тригранна суцільна (розташована ребром до вітру) | 0,0017 | 32,1 | |
| Тригранна суцільна (розташована гранню до вітру) | 0,0029 | 28,5 | |
| Чотиригранна суцільна (розташована ребром або гранню до вітру) | 0,0024 | 29,8 | |
| Циліндрична ферменна | 0,0014 | 49,4 |
Для циліндричної суцільної опори
, кг
де b - поправочний коефіцієнт, що знаходиться за графіком (рис.2,5).
|
Рис. 2.5 Залежність коефіцієнта b від відношення висоти опори до її діаметра
Крім того, необхідно враховувати постійність коливань циліндричної опори (труби) у вітровому потоці незалежно від його швидкості. Пояснюється це явище утворенням вихорів Бенера–Кармана в сліді за тілом циліндричної форми. При цьому дані коливання розглядають як автоколивання, при яких частота та амплітуда задаються самою системою, що коливається. Вітровий резонанс виникає при умові, що частота відривання вихорів задовольняє умові:
де Sh – критерій Струхаля;
n – частота;
D0 – діаметр опори;
v – швидкість вітру.
Ріст амплітуди коливань проходить до значення швидкості вітру 18 м/с, що відповідає кризі обтікання циліндра та різкому падінню лобового тиску. Поперечні коливання практично припиняються. За результатами досліджень моделей жорстких опор циліндричної форми, при відношенні висоти опори до її діаметру в межах 3…10, незалежно від жорсткості опори вітровий резонанс спостерігався при Sh » 0,2. Амплітуда коливань верхньої точки опори, що має пружну основу, в 3…4 рази менша ніж у опори з жорсткою основою. Тому рекомендується улаштування амортизаторів в закладній частині опор вітроустановок, що понижує не тільки вібрацію, але й величину амплітуди коливань при вітровому резонансі.
Не мале значення в сумарному впливі за навантаженням на опору здійснює лобовий тиск на ротор. При регулюванні виведенням ротора із під вітру, вітрове навантаження на багатолопатевий ротор складає:
; 
;
де 
– коефіцієнти навантаження (наведені в таблиці 2.3)
Таблиця 2.3 – Значення коефіцієнтів навантажень
| Характер роботи | Коефіц. навантаж | Кут повороту g ротора | |||||||||
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | |||
| Робота вхолосту | 
| 0,625 | 0,610 | 0,575 | 0,510 | 0,374 | 0,250 | 0,150 | 0,078 | 0,060 | – |
| 0,000 | 0,075 | 0,130 | 0,180 | 0,220 | 0,225 | 0,220 | 0,180 | 0,150 | 0,14 | |
| З розрахунковим навантаженням |
| 0,780 | 0,760 | 0,730 | 0,625 | 0,475 | 0,350 | 0,275 | 0,180 | 0,100 | – |
|
| 0,000 | 0,050 | 0,100 | 0,150 | 0,200 | 0,180 | 0,240 | 0,260 | – | – |
F – площа обмаху ротора;
v – швидкість вітру, що приймається в залежності від кута g (за кривими рис.2.7).
 | |||
 | |||
Рис. 2.6 Лобовий тиск при різних положеннях ротора.
|
І – при Vn=8м/с; ІІ – при Vn=10м/с; ІІІ – при Vn=12м/с; ІV – при Vn=14м/с.
(Vn – швидкість вітру, при якій ротор повинен починати виходити з під вітру)
Рис.2.7 Криві зміни кутів в залежності від швидкості вітру, при якій N та w - const.
При визначенні лобового тиску на ротор для швидкохідних вітроустановок користуються залежністю:
,
де Су – коефіцієнт підйомної силу лопаті;
S – площа лопаті;
– умовний радіус лопаті,
де R – радіус кола, що описується верхнім кінцем лопаті;
r0 – радіус кола, що описується нижнім кінцем лопаті.
w – кутова швидкість;
v – середня швидкість вітру в заданий період часу;
і – кількість лопатей;
– коефіцієнт перевантаження,
де vп – швидкість вітру при пориві.
Вітрове навантаження на опору вітроустановки, робота якої стабілізується за допомогою хвоста визначається в такій послідовності:
- лобовий тиск на ротор:
де Сх – аеродинамічний коефіцієнт лопаті при куті атаки, що відповідає Су=0 (при зміні відношення товщини до хорди в межах 0,1…0,4 , Сх зростає від 0,013 до 0,028);
vбур – швидкість вітру під час бурі;
F – площа міделевого перерізу ротора (площа проекції тіла на площину перпендикулярну до направлення повітряного потоку).
- тиск вітру на ферму опори:
– момент від гіроскопічних сил для багатолопатевих та трилопатевих вітроустановок:
де І0 – момент інерції ротора;
w – кутова швидкість;
w1 =w0 /i – кутова швидкість повороту ротора навколо башти:
де w0 = vz0 / R
і – передаточне число трансмісії від ротора до шестерні на опорі;
z0 – число синхронних модулів.
Вібраційні характеристики та характеристики на міцність опори в цілому визначаються також і якістю виготовлення фундаменту. Глибина його закладення вибирається неменше глибини промерзання ґрунтів (в Україні вона складає не більше 1,1м). Фундаменти повинні задовольняти таким основним вимогам:
– мати достатню міцність до статичних та динамічних навантажень;
– не давати осіданню (щоб не викликати перекіс споруди, необхідно центр всієї маси вітроенергетичної установки та фундаменту розміщувати на одній вертикалі).
Допустиме навантаження для слабких ґрунтів (глина та суглинок в пластичному стані, супісь середньої щільності та пилуватий пісок, що просочений водою, а також ґрунти з шарами торфу або мулу) складає до 1,5 кг/см2. Для тих же ґрунтів середньої щільності допускається питоме навантаження від 1,5 до 3,5 кг/см2, а для міцних ґрунтів – від 3,5 до 6 кг/см2.
Навантаження, що згинає опору, від лобового тиску вітру та саму опору і ротор, дають момент біля основи, що визначається як:
 |
,
де Рл, Рб – зусилля, що прикладені, відповідно, до ротора та башти вітроустановки;
Нл ,Нб – відстань точок прикладення зусиль від основи фундаменту.
Стискаюча сила (маса ротора, опори – G, фундаменту – Gф) при вітрі за діагоналлю опори розподіляє зусилля за ногами:
,
де 1,4В – відстань між фундаментами ніг за діагоналлю.
– на передню ногу:
– на задню ногу:
Приймаючи площу підошви фундаменту F, визначається питомий тиск на ґрунт:
.
2.6 Схеми генерування електричної енергії вітроустановками.
Вітроелектроустановки виробляють енергію як постійного, так і змінного струму для автономних або мережних систем і будуються за наступними схемами:
– ротор – генератор постійного струму – споживач постійного струму та/або акумуляторна батарея;
– ротор – генератор постійного або змінного струму – нагрівач та тепловий акумулятор;
– ротор – генератор змінного струму – випрямляч – інвертор – споживач змінного струму сталої частоти;
– ротор – генератор змінного струму (синхронний або асинхронний) –мережа навантаження.
Генерування постійного струму здійснюється на установках до 10 кВт. Електричні машини постійного струму мають колектор і щітковий контакт, що обмежує їх широку експлуатацію. Вони мають великий початковий момент опору і це ускладнює їх застосування в агрегатах з швидкохідними роторами (наприклад, в агрегаті потужністю 1,5 кВт цей момент досягає 0,8 кг×м, внаслідок чого агрегат з трилопатевим ротором діаметром 4м починає працювати тільки при швидкості вітру біля 6м/с).
Для генерування змінного струму застосовують асинхронні та синхронні машини.
Асинхронний генератор має ряд переваг, що полягають в простоті конструкції, високої надійності в експлуатації, нескладних схемах під’єднання на паралельну роботу з мережею та іншими джерелами електроенергії. Крім того, як генератор може застосовуватись асинхронний двигун. Асинхронний генератор є механічно міцною машиною, за якою потрібен мінімальний догляд. При короткому замиканні ударний струм швидко затухає, що не викликає перегрівання та руйнування обмоток. При перевантаженні генератор швидко втрачає збудження (і навіть розмагнічується), що також запобігає виходу його з ладу.
Принципова електрична схема подана на рис.2.8.
 |
D – приводний двигун (ротор вітроустановки); G – асинхронний генератор;
C – батарея конденсаторів; QF – роз’єднувач; P – навантаження.
Рис. 2.8 Схема під’єднання асинхронного генератора.
Робота асинхронного генератора як автономного джерела живлення можлива тільки при умові подачі в обмотку статора реактивної потужності від батареї конденсаторів, що під’єднані до кожної фази. При активному навантаженні реактивна потужність, що надходить від конденсаторів, повинна дорівнювати реактивній потужності генератора (за величиною необхідної для створення магнітного потоку). При активно-індуктивному навантаженні, реактивна потужність від конденсаторів повинна покривати також реактивну потужність навантаження. Така величина ємності конденсаторів значно здорожує вартість вітроустановки, що є недоліком.
Величину ємності конденсаторів за трьома фазами можна визначити за виразом (при вмиканні трикутником):
, мкФ
де Q – реактивна потужність конденсатора (кВАр).
Для запобігання коливань напруги при зміні характеру навантаження (активне, індуктивне), слід передбачати комутацію частини конденсаторів.
Ще одною перевагою асинхронного генератора є те, що напруга на його виході має сталу частоту при зміні частоти обертів ротора в деяких межах, і це надає йому більшу стійкість при роботі на мережу, ніж при застосуванні синхронних машин.
До недоліків відносять менший рівень вироблення енергії ніж синхронними машинами. Це пов’язано з меншим коефіцієнтом потужності, що обумовлено більшими струмами намагнічування (вони пропорційні квадрату напруги).
Іншими системами є застосування асинхронної машини з фазним ротором як асинхронного або синхронного генератора з метою найдоцільнішої реалізації позитивних характеристик обох типів. При дономінальних та номінальній швидкості вітру машина працює як синхронний генератор із збудженням постійним струмом, що підводиться через контактні кільця до обмоток ротора. При поривчастих вітрах, машина переходить в режим асинхронного генератора з коротко замкненим ротором з використанням його допустимого діапазону ковзання. Перехід від синхронного до асинхронного режиму проходить із незначним перевантаженням за струмом. При зворотному переході необхідно забезпечити такий режим, щоб викиди моменту та струму не були більшими 0,5...0,8% номінального.
Синхронні генератори з самозбудженням від випрямлячів мають мінімальну кількість контактів. Вони мають також задовільну стійкість роботи в широкому діапазоні швидкості обертання. При роботі синхронного генератора з мережею, у випадках зниження швидкості вітру, він переходить в двигунний режим (і споживає енергію з мережі) або випадає із синхронізму, що є суттєвим недоліком даної системи.
Синхронні генератори із збудженням від постійних магнітів застосовують, як правило, в автономних вітроелектроустановках. До їх переваг відносять простоту конструкції, надійність, відсутність контактів ковзання та обертання обмоток, непотрібність витрат енергії на збудження. Недоліком даних генераторів є складність регулювання та стабілізації напруги, обмежена гранична потужність із-за порівняно невеликої питомої енергії постійних магнітів. За конструкцією синхронні генератори з постійними магнітами виконуються з обертовими магнітами та нерухомими обмотками.
При конструюванні автономних вітроелектроустановок, що під’єднуються безпосередньо або з акумулюючими пристроями на навантаження, слід враховувати умови допустимої втрати напруги при пуску електрообладнання споживача. Тому потужність генератора буде складати:
,
де Nв – потужність двигуна електроспоживача;
k0 – коефіцієнт, що дорівнює 0,35 для привода з постійним і 0,9 – для привода з вентиляторним моментом.
2.7 Приклади розрахунків.
1.Визначення параметрів ротора вітроенергетичної установки.
Дано: потужність вітроустановки Рн = 3 кВт; середньорічна швидкість вітру vс.р.= 4,2 м/с; температура навколишнього середовища t0c = (–15…+25)0С; тиск В = 720…760 мм рт. ст.
1. Розрахунок номінальної швидкості вітру:
– для швидкохідних роторів:
vн=1,5 vс.р.= 6,3 м/с;
– для тихохідних роторів:
vн=1,25 vс.р.= 5,3 м/с.
2. Діаметр ротора вітроенергетичної установки:
– для швидкохідних роторів:
м (» 9 м);
– для тихохідних роторів:
м (» 12 м);
3. Зміна потужності при зміні температури та тиску:
t= -150C B=720 мм рт.ст. 
кВт (D=9,4м)
B=760 мм рт.ст. 
кВт (D=9,7м)
t= 250C B=720 мм рт.ст. 
кВт (D=11,3м)
B=760 мм рт.ст. 
кВт (D=11,6м)
2. Розрахунок параметрів лопаті вітроенергетичної установки.
Дано: потужність вітроустановки Рн = 3 кВт; модуль (швидкохідність) тихохідної установки Zт =0,9; модуль (швидкохідність) швидкохідної установки Zш =5,5; кількість лопатей тихохідної установки пт = 18; кількість лопатей швидкохідної установки пш = 3, середньорічна швидкість вітру vс.р.= 4,2 м/с.
1. Визначення “робочого” діаметра ротора:
– площа обмаху ротора:
а) тихохідного
,
так як внутрішня частина ротора приблизно на 1/3 радіуса не використовується, то “робоча” площа складе:
;
Тоді “робочий” діаметр буде становити 12,4 м.
б) швидкохідного
D’=9,6 м.
2. Визначення швидкості на кінцях лопатей:
| тихохідний | швидкохідний | |
– швидкість вітру, що протікає через ротор
v’=2 vн /3, м/с
– кругова швидкість
u = vн z м/с
– кут між вектором результуючої швидкості та направленням вісі (b)
– результуюча швидкість
 , м/с
|
3,5
4,725
53028’
|
4,2
34,65
8305’
|
3. Визначення дійсного діаметру:
| тихохідний | швидкохідний | |
– відстань між лопатями
 , м
– ширина повітряної полоси між лопатями
b= a× cosb, м
– дійсний діаметр
D = D’+0,44b,м
– довжина кола
pD, м
– кутова швидкість
w = 2u/D, 1/с
– число обертів
 , об/хв.
|
2,16× 0,5943=1,28
12,4 + 0,44×1,28=12,96
40,69
2× 4,725/40,69=0,23
0,23× 60/6,28=2,2
|
10,05× 0,11=1,11
9,6 + 0,44× 1,11=10,09
31,68
2× 34,65/31,68=2,19
2,19× 60/6,28=20,9
|
4. Визначення ширини та кута установки лопаті на 2/3 радіуса ротора
| тихохідний | швидкохідний | |
– довжина кола на 2/3 радіуса, м
– число модулів на 2/3 радіуса
– кут атаки a (приймаємо за полярами Лілієнталя)
– коефіцієнт підйомної сили са (за полярами Лілієнталя)
– доцільна ширина крила
 ,м
–
– кут установки лопаті
b+a
| (2/3)× 40,69=27,13
(2/3)× 0,9=0,6
30
0,8
450
| (2/3)× 31,68=21,12
(2/3)× 5,5=3,7
1030’
0,7
810 17¢
|
5. Визначення ширини та кута установки лопаті на зовнішнім кінці:
| тихохідний | швидкохідний | |
– довжина кола, що описує зовнішній кінець, м
– число модулів
– кут атаки a (приймаємо)
– коефіцієнт підйомної сили Са
– доцільна ширина крила
– кут установки лопаті
b+a
|
40,69
0,9
20
0,7
arctg(1,5×0,9)=53028’
55028¢
|
31,68
5,5
1,50
0,7
arctg(1,5×5,5)=8305’
84035¢
|
6. Визначення ширини та кута установки лопаті на внутрішньому кінці лопаті (1/3 радіуса):
| тихохідний | швидкохідний | |
| – довжина кола на 1/3 радіуса, м
– число модулів на 1/3 радіуса
– кут атаки a (приймаємо)
– коефіцієнт підйомної сили Са
– доцільна ширина крила
–
– кут установки лопаті
b+a
|
(1/3)× 40,69=13,56
(1/3)× 0,9 = 0,3
60
1,0
30012¢
|
(1/3)× 34,3=11,43
(1/3)× 5,5 = 1,8
1,50
0,9
71020¢
|
7. Визначення зворотних коефіцієнтів якості лопаті на 2/3 радіуса:
| тихохідний | швидкохідний | |
| – кут атаки a – коефіцієнт підйомної сили Са – коефіцієнт опору Сw – зворотний коефіцієнт якості крила e= Сw/ Са | 30 0,8 0,022 0,028 | 1030¢ 0,7 0,01 0,014 |
8. Визначення зворотних коефіцієнтів якості на зовнішній частині лопаті:
| тихохідний | швидкохідний | |
| – кут атаки a – коефіцієнт підйомної сили Са – коефіцієнт опору Сw – зворотний коефіцієнт якості крила e= Сw/ Са | 20 0,7 0,019 0,027 | 1030¢ 0,7 0,01 0,014 |
9. Визначення зворотних коефіцієнтів якості на внутрішній частині лопаті:
| тихохідний | швидкохідний | |
| – кут атаки a – коефіцієнт підйомної сили Са – коефіцієнт опору Сw – зворотний коефіцієнт якості крила e= Сw/ Са | 60 1,0 0,039 0,039 | 1030¢ 0,7 0,01 0,014 |
2. Розрахунок опор вітроенергетичних установок.
Дано: Висота перешкоди перед вітроустановкою 7м, відстань від верхівки перешкоди до нижньої точки кола обмаху ротора 2м, радіус ротора тихохідної установки 6м, швидкохідної 4,5м (площа лопаті 5,7м2, кутова швидкість 2,2 с-1), маса опори 1300кг
1. Мінімальна висота опори:
| тихохідний | швидкохідний | |
| H = h + c + R, м | 7+2+6=15 | 7+2+4,5=13,5 |
2. Вітрове навантаження на опору:
| тихохідний | швидкохідний | |
| – тип опори – навантаження при Нмод=0,486м; v=40 м/с; Rх=0,00085 b=1,01 | ферменна, 4-нога Р = 6770RхН2 =1294,76 | циліндрична Р = 7.1bН2=1306,9 |
3. Лобовий тиск на ротор:
– для тихохідного (ІІ крива g=450):
– для швидкохідного:
су=1,12 (b/g)=20 – відношення хорди лопаті до висоти);
=
=3,12м; 
4. Момент біля основи опори:
М = Рл Н + Рб Нб ;
для тихохідного – М=656,5×15 +1300×(15×0,428+1,1) = 19597,5 кг×м;
для швидкохідного – М= 534,2×13,5 +1300×7= 16311,7 кг×м.
5. Стискаюча сила:
– для 4-ногої опори:
кг;
Стискаюча сила на задню ногу:
P2=0,25G+Gф +Pм
Питомий тиск р=Р2/ b2 – для середніх ґрунтів 2кг/см2(20×103кг/м2).
Маса фундаменту під одну ногу: Gф=b2 h g (b2 – площа; h–глибина закладки >1,1м; g – густина матеріалу фундаменту – бетон » 2×103кг/м3)
Маса вітроустановки (опора 1300 кг, ротор, хвіст, гондола - в сумі 141R2)
– для циліндричної башти (при діаметрі опори 0,4м):
3. Визначення потужності генератора вітроенергетичної установки.
Дано: Споживач – віддалений сільськогосподарський об’єкт (корівник на 200 голів). Навантаження: вакуум-насос – 10 кВт; холодильне обладнання – 8 кВт; водонагрівач – 12 кВт; прибирання гною – 11 кВт; освітлення – 8 кВт. Розпорядок дня – 1 зміна, двох разове доїння.
| № п/п | Процеси | Години доби | |||||||||||||||||||||||
| Доїння | 
| 
| |||||||||||||||||||||||
| Холодильне обладнання | 
| 
| |||||||||||||||||||||||
| Водонагрівач | 
| 
| |||||||||||||||||||||||
| Прибирання гною | 
| ||||||||||||||||||||||||
Освітлення: - основне
 - чергове
| 
| 
| 
| 
|
1.Навантажувальна діаграма:
|
|
Аналіз характеру навантаження потягом доби:
1 – з 1 до 5 години: активне навантаження (освітлення, нагрівач) – 13 кВт;
активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;
сумарне (одночасне): 21 кВт.
2 – з 5 до 7 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;
активно-індуктивне (холодильник, доїльне обладнання) – 18 кВт;
сумарне (одночасне): 26 кВт.
3 – з 7 до 8 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;
активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;
сумарне (одночасне): 16 кВт.
4 – з 8 до 10 години – технологічна пауза;
5 – з 10 до 12 години: активно-індуктивне (прибирання гною) – 11 кВт;
6 – з 12 до 14 години – технологічна пауза;
7 – з 14 до 16 години – активне навантаження (освітлення, нагрівач) – 12 кВт;
8 – з 16 до 18 години: активно(нагрівання) – 13 кВт;
9 – з 18 до 20 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;
активно-індуктивне (холодильник, доїльне обладнання) – 18 кВт;
сумарне (одночасне): 26 кВт.
10 – з 20 до 21 години: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт;
активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;
сумарне (одночасне): 16 кВт.
11 – з 21 до 1 години: активне навантаження (освітлення) – 1 кВт;
активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт;
сумарне (одночасне): 9 кВт.
Вимоги генератора за потужністю у визначені періоди доби:
де к=1 – активне навантаження;
к= 0,9 – привод з вентиляторним моментом;
к= 0,35 – привод з постійним моментом.
Потужність генератора вдані періоди доби:
1. Рг1 =1,36 ×13= 17,7»18 кВА
Рг2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА
S Рг =18+12= 30 кВА
2. Рг1 =1,36 ×8= 11 кВА
Рг2 =1,36 ×18/0,9= 27,2 кВА
S Рг = 38 кВА
3. Рг1 =1,36 ×8= 11 кВА
Рг2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА
S Рг =23 кВА
5. Рг =1,36 ×11/0,35= 43 кВА
7. Рг =1,36 ×12= 16,3 кВА
8. Рг =1,36 ×13= 18 кВА
9. Рг1 =1,36 ×8= 11 кВА
Рг2 =1,36 ×18/0,9= 27,2 кВА
S Рг =38 кВА
10. Рг1 =1,36 ×8= 11 кВА
Рг2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА
S Рг =23 кВА
11. Рг1 =1,36 ×1= 1,4 кВА
Рг2 =1,36 ×8/0,9= 12,08»12 кВА
S Рг =14 кВА
Максимальне значення 43 кВА. За каталогом приймаємо 45 кВА.
Контрольні питання до глави 2.
1. З яких складових частин здійснюється компоновка вітромеханічних установок?
2. З яких складових частин здійснюється компоновка вітроелектричних установок?
3. Як визначається режим виробітку енергії вітроенергоустановкою?
4. Як визначається зміна швидкості вітру за висотою?
5. Від яких чинників залежить потужність вітроенергоустановок?
6. Як впливає зміна температури та тиску на величину потужності вітроенергоустановок?
7. Як визначаються навантаження на елементи систем регулювання при регулюванні хвостом?
8. Як визначаються навантаження на елементи систем регулювання при регулюванні віндрозами?
9. Як визначається мінімальна висота опори вітроенергоустановки?
10. Які види опор застосовують для вітроенергоустановок?
11. При якій умові може виникнути вітровий резонанс опори?
12. За якими схемами генерування електроенергії будуються вітроенергоустановки?
13. До якої потужності рекомендується проектувати установки постійного струму?
14. В чому полягають переваги асинхронного генератора вітроенергоустановки порівняно з іншими типами генераторів?
15. Як визначити ємність конденсаторів для асинхронного генератора, що працює в автономному режимі?
16. Які синхронні генератори за видом збудження використовують у вітроенергетиці?
17. За яким виразом обчислюють потужність генератора вітроенергоустановки з урахуванням втрат напруги при пуску електрообладнання споживачів?
3 КОНСТРУЮВАННЯ СОНЯЧНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК.
Сонячна енергетична установка – це енергетична установка, що перетворює енергію сонячної радіації в інші види енергії (наприклад, в теплову або в електричну).
Сонце кожну секунду випромінює 88.1024 кал теплоти, що еквівалентно 1,25 . 1016 т у.п. або 1,02 . 1020 кВт×год. На Землю надходить тільки частина цієї енергії - біля 1018 кВт×год. (123 . 1012 т у.п.) за рік, що майже в 10000 разів більше світового споживання енергії і приблизно в 100 разів більше енергії всіх розвіданих горючих копалин на Землі.
Густина сонячного потоку в космосі приблизно дорівнює 1,35 кВт/м2.
Максимальна інтенсивність сонячного випромінювання на поверхні Землі складає близько 1 кВт/м2, однак тривалість його становить всього 1-2 години в літні дні. Середня інтенсивність сонячного випромінювання в більшості районів земної кулі становить 200 ¸ 250 Вт/м2. Безпосередньо на поверхню Землі надходить біля 50% від загальної кількості сонячного випромінювання, що проходить через верхні шари атмосфери, 23% з якої становить розсіяна сонячна радіація і 27% – пряма сонячна радіація.
При створенні та впровадженні сонячного енергетичного обладнання використовуються дані про кількість сумарної сонячної радіації і її складових, періодичність та змінність режимів її надходження.
Переваги енергії сонячної радіації порівняно з традиційними видами палива полягають в наступному:
– джерело енергії практично невичерпне;
– можливість використання енергії сонячної радіації на більшості ділянок поверхні Землі як місцевого енергетичного джерела;
– можливість безпосереднього перетворення енергії сонячної радіації в електричну;
– можливість отримання високих температур (> 5000С);
– прискорювати дію у фотохімічних процесах.
Освоєння сонячної енергії здійснюються за трьома основними напрямками:
1. Тепловому – уловлюється радіаційне випромінення сонячним колектором – об’ємна конструкція, через яку циркулює теплоносій, а її зовнішня сторона (обернена до джерела випромінення) має чорну поглинаючу поверхню.
Рис. 3.1 Теплова система нагрівання води
2. Теплодинамічному – концентрується енергія сонячної радіації на котлі, пара з якого надходить на турбіну з електрогенератором.
Рис.3.2 Сонячна теплодинамічна електростанція
3. Фотоелектричному – уловлюється електромагнітне випромінення (оптичного діапазону) Сонця та перетворюється в електроенергію постійного струму. Конструкція сучасних генераторів, що виконані на напівпровідниковій основі, мають коефіцієнт перетворення біля 17%.
Рис.3.3 Фотоелектричні панелі
3.1 Загальні підходи до побудови теплових сонячних енергетичних установок.
Системи, що перетворюють енергію сонячної радіації в теплову, умовно поділяють на дві групи:
– “пасивні” – приймачем служать самі об’єкти, що нагріваються. Використання енергії Сонця проводиться за рахунок планіровочного та архітектурно-будівельного розташування споруд;
– “активні” – енергія уловлюється, накопичується та транспортується в спеціальних пристроях. Основним елементом є геліоприймач. Як теплоносій, може виступати газ (повітря), або рідина (вода, розчин солей). В залежності від виду теплоносія будується подальша конструкція теплової сонячної енергоустановки. Для низькопотенційних установок найбільш розповсюдженим типом геліоприймача є плоский. Він побудований як ящик, в середині якого розташований колектор, конструктивно виконаний у вигляді трубопроводу різної конфігурації з гофрованою або чарунчастою поверхнею. Колектор має покриття з великою поглинаючою спроможністю. Стінки ящика обкладені тепловою ізоляцією. Один з боків має прозоре покриття, яке може бути одно–, дво– чи тришарове.
 |
1 – прозоре покриття; 2 – плита або трубка; 3 – корпус.
Рис. 3.4 Види плоских сонячних колекторів.
За призначенням теплові сонячні енергоустановки застосовують, в основному, для гарячого водозабезпечення та кондиціювання як для індивідуальних споживачів, так і для групових, або будують централізовані системи.
Для надійності енергопостачання до сонячних енергоустановок додають акумулюючі пристрої з короткочасною або довгостроковою акумуляцією. Крім того, вони можуть мати дублюючий (резервний) нагрівач (наприклад, електронагрівач, що живиться від центральної мережі).
За характером руху теплоносія системи можуть бути з вільним або вимушеним режимом теплообміну, а за числом контурів теплообміну: одно–, дво– або багатоконтурними.
Таким чином, сонячні енергоустановки входять в фізичну систему узгодження енергопотоку надходження енергії сонячної радіації та потреб споживача, що діє протягом певного нормативного часу. В даній системі вхідними змінними є надходження енергії сонячної радіації та енергія від резервного (традиційного) джерела, вихідними – потреби об’єкта в теплоті.
Припустимо, що існує і-та кількість (скінчена) об’єктів виробництва, що підлягає енергозабезпеченню від енергії сонячної радіації протягом періоду з j-тої кількості днів. Реалізація узгодження потоків від джерела до споживача здійснюється технічними засобами, що побудовані за блочним принципом і містять первинні перетворювачі (сонячні нагрівачі), систему накопичення (теплові акумулятори), допоміжне та резервне обладнання (насоси для циркуляції теплоносія, електронагрівач). Тоді рівняння відносно використання енергії сонячної радіації буде становити:
при і=1,…,n , (3.1)
де 
- вектори, компоненти яких 
є
значеннями теплових потреб і-того об’єкта
в j-тий день експлуатації;
- вектори, компонентами яких є значення
енергії від утилізаторів сонячної радіації на
і-тому об’єкті в j-тий день експлуатації;
а – коефіцієнт параметрів структурних схем утилізації сонячної радіації.
Для окремої точки векторного простору співвідношення (3.1) буде складати:
де і=1,…n – номер об’єкта;
j=1,…m – номер дня експлуатації;
- потік енергії від утилізатора сонячної радіації;
де 
– питома величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню, що приймає значення в діапазоні [0,
];
де – середньостатистичне значення надходження енергії сонячної радіації в j-тий день експлуатації;
– площа сонячних колекторів в j-тий день
експлуатації.
– ефективність сонячних колекторів
В таблиці 3.1 подані можливі варіанти сонячних енергоустановок, що охоплюють вищевказані ознаки.
Розглянемо методичні підходи для визначення конструктивних параметрів сонячних енергоустановок для кожного з наведених варіантів. Зазначимо, що в рівняннях х1 – надходження сумарної енергії сонячної радіації, х2 – енергія резервного (традиційного) джерела, у1 – потреби споживача в тепловій енергії.
Тоді для першого варіанту сонячної енергоустановки, що складається із сонячних нагрівачів та акумулятора, рівняння буде становити:
Таблиця 3.1 – Варіанти структурних схем енергозабезпечення об’єктів від енергії сонячної радіації
| № п/п | Найменування складових блоків схеми | Основні технічні параметри установок | |||
| Сонячний водонагрівач | Тепловий акумулятор | Насос для прокачування теплоносія | Електронагрівач | ||
| Lс– площа сонячних колекторів; a – кут нахилу до горизонту; Va – ємкість бака-акумулятора | ||||
| Lc ;a ;Vа ; Р ен- – потужність електронагрівача | ||||
| L; a ; Va ; Pp – потужність насосу; g-витрати теплоносія | ||||
| Lc; a; Va ; Pp; Pен ; g. | ||||
| Lc; a; Va; V’a –ємкість бака-акумулятора другого контуру | ||||
| Lc; a; Va; V’a; Pен | ||||
| Lc; a;Va; V’a; Pp; g |
Продовження таблиці 3.1
| Lc; a;Va; V’a; P’p – потужність насосу другого контуру | ||||
| Lc; a;Va; V’a; Pp P’p; g | ||||
| Lc; a;Va; V’a; P’p; Pен; g |
(y1)1 = x1(1 - a),
де х1 = Ea × hеф × LS ,
де Еa - питома величина сумарної сонячної радіації на похилу поверхню;
hеф - ефективність сонячного колектора;
LS - площа сонячних колекторів;
а - коефіцієнт втрат акумулятора.
В другому варіанті в акумуляторі проходить поєднання двох потоків енергії - від сонячних колекторів і від теплоелектричного нагрівача:
(y1)2 =w1 x’1 (1 - a) + w2 x2а,
де x’1 – потік енергії сонячної радіації при Ea <
;
w1 = 1 - w2 , 
де w1,w2 – вагові коефіцієнти потоків x1 та x2 відповідно.
х2 = РТЕ - потужність потоку енергії від традиційного джерела.
В третьому варіанті насос впливає на процес теплообміну в сонячному колекторі:
(y1)3 = kН x1(1 - a),
де kН – коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимом теплообміну в сонячному колекторі.
Четвертий варіант об’єднує особливості другого та першого варіантів:
(y1)4 =w1 x1 kН (1 - a) + a w2 x2,
В 5...10 варіантах використовуються двоконтурні системи, застосування яких проводиться в тих випадках, коли пряме використання теплоносія неможливе (наприклад, при використанні в першому контурі розчинів з антикорозійними присадками). Тоді рівняння для цих варіантів будуть наступними:
(y1)5 = x1 (1 – a’ – а”),
де a’, а” – коефіцієнти втрат акумуляторів відповідно першого та другого контурів;
(y1)6 =w1 x1 (1 – a’ – а”) + a’ w2 x2,
(y1)7 = kН x1 (1 – a’ – а”),
(y1)8 = x1 (1 – a’ – kН” а”),
де kН” = а”вільн /а”вим – коефіцієнт зниження втрат при застосуванні вимушеного режиму теплообміну в другому контурі.
(y1)9 = kН x1 (1 – a’ – kН” а”),
(y1)10 = kН w1 x1 (1 – a’ – kН” а”) + w2 x2kН” а”.
Слід зазначити, що використання сумарної добової енергії сонячної радіації в теплових системах рекомендується при її рівні більше 15 МДж/м2. Ця умова вказує на наявність доцільних періодів використання сонячних енергоустановок, інформація про які подана в таблиці 3.2.
Величина перетворення енергії сонячної радіації в сонячних енергоустановках залежить від кута нахилу поверхні нагрівання, ефективності сонячного колектора, режиму теплообміну.
Таблиця 3.2 – Доцільні періоди використання сонячних енергоустановок
| № п/п | Найменування метеорологічної станції | Тривалість періоду | Календарні строки періоду (ймовірність 0,6) |
| Ковель | 5.05...17.08 | ||
| Нова Ушиця | 8.05...14.08 | ||
| Великоанадоль | 1.05...7.09 | ||
| Полтава | 3.05...6.09 | ||
| Бориспіль | 18.04...31.08 | ||
| Асканія Нова | 1.05...13.09 | ||
| Болград | 2.05...22.09 | ||
| Одеса | 1.05...20.09 | ||
| Карадаг | 2.04...30.09 | ||
| Євпаторія | 1.04...25.09 |
За відомим рівнянням Клейна, надходження сумарної енергії сонячної радіації на похилу поверхню складає:
де Е – питоме надходження сумарної енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню;
Ed – питома складова дифузної сонячної радіації;
j – широта місцевості;
s – кут нахилу нагрівача;
d – схилення Сонця;
w’s – годинний кут заходу Сонця за похилу поверхню;
ws – годинний кут заходу Сонця за горизонтальну поверхню;
r – альбедо Землі.
Вимірювання дифузної радіації (Ed) на станціях проводиться в окремих випадках, і тому її визначають розрахунковим способом з врахуванням коефіцієнта хмарності:
,
де kх = Е / Ео – коефіцієнт хмарності,
де Ео – середньомісячне питоме добове надходження енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню за межами земної атмосфери. Для умов України його значення подане в таблиці 3.3.
Таблиця 3.3 – Середньомісячне питоме добове надходження енергії сонячної радіації на горизонтальну поверхню за межами земної атмосфери, (МДж/м2)
| Північна широта | Місяць року | |||||||||||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| 400 | 15,1 | 20,3 | 27,2 | 34,3 | 39,3 | 41,4 | 40,3 | 36,2 | 29,7 | 22,3 | 16,3 | 13,6 |
| 450 | 17,5 | 24,8 | 32,8 | 38,8 | 41,3 | 35,1 | 27,7 | 19,6 | 13,3 | 10,6 | ||
| 500 | 14,5 | 22,3 | 31,2 | 38,1 | 41,2 | 39,6 | 33,8 | 25,4 | 16,7 | 10,3 | 7,6 | |
| 550 | 6,1 | 11,5 | 19,5 | 29,3 | 37,2 | 40,9 | 39,1 | 32,4 | 13,8 | 7,3 | 4,8 |
При експлуатації сонячних енергоустановок приходиться вирішувати питання регулювання кута нахилу нагрівачів до горизонту. При цільовій функції максимуму енергії, в умовах України, зміна кута нахилу нагрівачів протягом доцільного періоду не потрібне. Величина кута нахилу наведена в таблиці 3.4.
Коефіцієнт пропорційності між вільним і вимушеним режимами теплообміну в сонячних енергоустановках визначається з умов наявності в них умов теплообміну другого та третього роду. Умовою другого роду є постійність надходження потоку енергії сонячної радіації на поверхню нагрівачів. Умовою третього роду є завдання величини коефіцієнта тепловіддачі та температури:
,
де tc, tp – температура відповідно стінки нагрівача та теплоносія;
qc – потік енергії сонячної радіації;
aр – коефіцієнт тепловіддачі теплоносія;
h – товщина стінки нагрівача;
lc – коефіцієнт теплопровідності стінки нагрівача.
Згідно узагальненим результатам дослідів М.А.Міхєєва при вільній конвекції при нагріванні води до 1000С:
де Nu, Gr, Pr – відповідно критерії Нусельта, Грасгофа та Прандтля.
При вимушеному режимі теплообміну тепловіддача залежить від швидкості руху рідини (характеризується критерієм Рейнольда). При проектуванні сонячних енергоустановок, витрати рідини через колектори рекомендується забезпечувати в межах 2×10-5 м3/с на 1м2 поверхні (для повітря – (5...20)×10-3 м3/с).
При таких витратах і зміні температури нагрівання від 200С до 600С критерій Рейнольдса становить Re = 1272,4...2677,8, що відповідає перехідному процесу від ламінарного до турбулентного руху.
,
де ko = f(Re,Gr).
Тоді коефіцієнт пропорційності двох режимів буде складати:
.
Прагнення підвищити продуктивність колектора шляхом збільше
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
ОСНОВИ КОНСТРУЮВАННЯ ЕНЕРГОУСТАНОВОК З ВІДНОВЛЮВАНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ЕНЕРГІЇ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ... КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ... С О Кудря В М Головко...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Таблиця 2.2 – Значення коефіцієнту лобового тиску
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Реклама
Информация в виде рефератов, конспектов, лекций, курсовых и дипломных работ имеют своего автора, которому принадлежат права. Поэтому, прежде чем использовать какую либо информацию с этого сайта, убедитесь, что этим Вы не нарушаете чье либо право.
© copyright 1999 - 2024 allRefs.net. Все права защищены. Страница сгенерирована за: 0.033 сек.
Новости и инфо для студентов