Курс раб_Теор основы и расч_испр вар

Расчёт максимальной мощности и крутящего момента ветроэнергетической установки (ВЭУ)

1. Математическая модель ветроэнергетической установки

1.1. Основные параметры модели

Модель ветроэнергетической установки (ВЭУ) описывает систему преобразования энергии, начиная с ротора ВЭУ и заканчивая генератором и средствами его подключения к сети. С помощью ротора кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию, которая в свою очередь в генераторе преобразуется в электрическую энергию. Таким образом, ВЭУ имеет сложное устройство, а, следовательно, для её изучения и оптимизации параметров и других исследовательских и инженерных целей необходимо было разработать её математическую модель. Причём эта модель представляет собой целый комплекс моделей, включающих аэродинамическую, механическую, электрическую модели, а также модель системного управления ВЭУ.
На рис. 1 показана общая структура модели ветроэлектрической установки и входные её параметры. Для описания состояния ВЭУ, работающей с переменной скоростью и управляемой по тангажу, используются параметры: угловая скорость
· и угол тангажа
·.
Входным параметром модели является профиль скорости ветра, который может быть рассчитан в модели или задан в виде временного ряда. Важным параметром модели ВЭУ является описание аэродинамических свойств ротора. Эти свойства могут быть определены коэффициентом мощности 13 EMBED Equation.3 1415, который зависит от угла тангажа
· и быстроходности
·. Другими параметрами, необходимыми для описания параметров моделирования, являются плотность воздуха
· и радиус ротора R.
Выходным параметром модели ВЭУ является механический момент 13 EMBED Equation.3 1415, который соединяет турбину и генератор (его модель). Угловая скорость
· служит обратной связью между моделями генератора и турбины.
Существуют различные концепции ВЭУ, в которых могут использоваться разные типы генераторов (асинхронные – с фазным или короткозамкнутым ротором, синхронные), генератор может быть соединён с сетью непосредственно или через частотный преобразователь. Очевидно, что точность модели ВЭУ имеет решающее влияние на результаты моделирования ветропарка.
Механическая мощность ветроустановки рассчитывается по следующему уравнению:
13 EMBED Equation.3 1415, (1)

где 13 EMBED Equation.3 1415 – плотность воздуха, кг/м3 (при нормальных условиях 13 EMBED Equation.3 1415= 1,225 кг/м3; 13 EMBED Equation.3 1415 – площадь ротора, м2 (13 EMBED Equation.3 1415– радиус ротора, м);13 EMBED Equation.3 1415– скорость ветра, м/с; 13 EMBED Equation.3 1415 – коэффициент использования мощности ветра.
Коэффициент мощности является линейной функцией от быстроходности 13 EMBED Equation.3 1415 и угла тангажа 13 EMBED Equation.3 1415. Теоретически согласно теории Бетца он может достигать максимального значения 13 EMBED Equation.3 1415= 16/27 = 0,59.
















Рис. 1. Общая структура модели ВЭУ

Быстроходность определяет взаимосвязи между угловой скоростью ротора турбины и скоростью ветра. Она может быть вычислена по выражению
13 EMBED Equation.3 1415, (2)
Описанная модель ротора ВЭУ изображает его поведение во время установившегося режима работы. Такое упрощение может недооценивать колебания мощности во время изменений скорости ветра. Полная модель ветроустановки показана на рис. 2.
Значения скорости ветра изменяются в зависимости от высоты, которая может быть рассчитана для каждого размера ВЭУ (положения ротора). Вертикальное изменение скорости определяется следующим образом:
13 EMBED Equation.3 1415 м/с, (3)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – средняя скорость ветра на высоте ступицы, м/с;13 EMBED Equation.3 1415 – средняя скорость ветра на высоте 10 м, м/с; 13 EMBED Equation.3 1415 – высота расположения ступицы, м; 13 EMBED Equation.3 1415 – экспонента Хельмана (ветер в верхних слоях атмосферы), зависящая от характера поверхности Земли (низкая – 0,16, высокая – 0,4).
Кинетическая энергия воздушной массы, проходящей через площадь F за определённый период времени, равняется
13 EMBED Equation.3 1415. (4)


Масса воздушного потока равна
13 EMBED Equation.3 1415. (5)
Тогда результирующая мощность ветра равна
13 EMBED Equation.3 1415, (6)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – кинетическая энергия в единицу времени.


Рис. 3. Мощность воздушного потока, проходящего через площадь S. (Изменение скорости потока для идеального колеса Бетца).





Мощность ветра преобразуется в механическую энергию ротора генератора вследствие уменьшения скорости (торможения) воздушной массы. Невозможно получить полную мощность ветра. Существуют оптимальные условия для её использования.
Максимальный энергетический выход незакрытой ветротурбины вычисляется отношением скорости ветра далеко за плоскостью ветроколеса, равным
13 EMBED Equation.3 1415,
тогда как скорость ветра на плоскости ветроколеса равняется
13 EMBED Equation.3 1415,
и результирующая мощность составляет:

· 13 EMBED Equation.3 1415 (7)
с коэффициентом мощности Бетца (13 EMBED Equation.3 1415)
13 EMBED Equation.3 1415, (8)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – скорость ветра за пределами ветроколеса; 13 EMBED Equation.3 1415 – скорость ветра перед ветроколесом.
Бетц и Глоерт в 1926 г. установили, что если потребление мощности будет возможно полностью без потерь, то максимально можно использовать 59% энергии ветра, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415.
Мощность ветра преобразуется в механическую энергию (мощность) ротора генератора
13 EMBED Equation.3 1415; (9)
13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415– коэффициент вращения; 13 EMBED Equation.3 1415– радиус ротора ВЭУ.
После простого преобразования можно установить взаимосвязь между 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415:
13 EMBED Equation.3 1415. (10)
Откуда получим, что их отношение является передаточным числом
·:
13 EMBED Equation.3 1415, (11)
где 13 EMBED Equation.3 1415 – скорость кромки лопасти ветроколеса, м/с.
Ветровые колёса, у которых коэффициент мощности ротора максимальный при передаточном числе
· < 3 называются тихоходными, при
· > 3 – быстроходными.
Для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения используем принцип подъёмной силы.
Принцип подъёмной силы основан на применении фундаментального эффекта, который используется превращения кинетической энергии ветра в механическую энергию. Подъёмная сила вызывается перепадами давлений, которые создаются при течении потока по поверхностям. На рис. 5 показано, что ассиметричный профиль вызывает различные длины направлений потоков.



Рис. 5. Принцип подъёмной силы для аэродинамического профиля

Следовательно, различные скорости течения приводят к разности давлений, которая создаёт в конечном итоге подъёмную силу. Эта взаимосвязь была исследована Д.Бернулли и распространяется на жидкости и газы.
Подъёмная сила может быть описана в форме:
13 EMBED Equation.3 1415, (13)
где 13 EMBED Equation.3 1415– подъёмная сила, Н; 13 EMBED Equation.3 1415– коэффициент подъёмной силы.
Коэффициент 13 EMBED Equation.3 1415зависит от аэродинамических свойств лопасти. Результирующий коэффициент мощности 13 EMBED Equation.3 1415 также зависит от аэродинамических свойств лопастей ротора или, соответственно, от коэффициента подъёмной силы. Коэффициент мощности зависит от угла атаки, который в свою очередь зависит от аэродинамических свойств соответствующих принципам лобового сопротивления и подъёмной силы. Ветровые турбины, использующие принцип подъёмной силы, имеют максимальное значение коэффициента, равное 13 EMBED Equation.3 1415= 0,59.

Цель курсовой работы: Рассчитать мощность на валу турбины 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415 на основании следующих исходных данных: радиуса ротора ВЭУ – 13 EMBED Equation.3 1415, м; средней скорости ветра на высоте 10 м – 13 EMBED Equation.3 1415, м/с; экспоненты Хельмана (ветер в верхних слоях атмосферы), зависящей от характера поверхности Земли – 13 EMBED Equation.3 1415(принимается равной 0,25 для всех вариантов).

Расчётные формулы для выходных параметров модели:
13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415.
Порядок проведения расчётов:

1. Определяется высота оси ротора – 13 EMBED Equation.3 1415. м;
2. Вычисляется средняя скорость ветра на высоте 13 EMBED Equation.3 1415:
13 EMBED Equation.3 1415 м/с;

3. Рассчитывается спектр значений 13 EMBED Equation.3 1415- характеристик (13 EMBED Equation.3 1415 – коэффициент мощности) с использованием выражения

13 EMBED Equation.3 1415

при вариации угла тангажа
· (5°, 10°, 15°, 20°) и коэффициента быстроходности 13 EMBED Equation.3 1415 (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12).

13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415; 13 EMBED Equation.3 1415.

4. На основе построенных графиков 13 EMBED Equation.3 1415 определить 13 EMBED Equation.3 1415 и соответствующее ему значение 13 EMBED Equation.3 1415.
5. Используя эти значения, рассчитать величины 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415.

3. Исходная информация для расчётов

Вариант выбирается по порядковому номеру в списке группы


варианта
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

варианта
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

1
3,5
15
11
12
55

2
4,5
20
12
11
50

3
5,5
25
13
10
45

4
6,5
30
14
9
40

5
7,5
35
15
8
35

6
8,5
40
16
7
30

7
9,5
45
17
6
25

8
10,5
50
18
5
20

9
11,5
55
19
4
15

10
12,5
60
20
3
10












Профиль скорости ветра

Плотность воздуха-13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415,
·


·,
·






R, 13 EMBED Equation.3 1415

Геометрия ротора, спецпараметры ВЭУ

ВЭУ

13 EMBED Visio.Drawing.5 1415
ВЭУ


Генератор


13 EMBED Equation.3 1415

Выход модели ВЭУ

Переменные состояния ВЭУ

Рис. 2. Блок-схема модели ВЭУ



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeВетроустановки 008Рисунок 21Ветроустановки 008Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeВетроустановки 004Рисунок 56Ветроустановки 004Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native 
·
·
·
·
·я
·Н
·
·
·
·!Ђ
·
·
·
·
·
·3
·

Приложенные файлы

  • doc 119152
    Размер файла: 583 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий