2 Методы расчета

2.1 Список литературы по проектированию

Для дальнейшей работы по поискам методов расчета ветрогенератора были использованы книги следующих авторов:

1. Яковлев А.И., Затучная М.А. Расчет и проектирование ветроэлектрических установок с горизонтально-осевой ветротурбиной и синхронным генератором на постоянных магнитах. Учеб. пособие по курсовому проектированию/ Под редакцией д-ра техн. наук, проф. Ю. А. Крашаницы. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2003. — 125 стр.

2. Яковлев А.И., Затучная М.А. Аэродинамический расчет ветротурбин пропеллерного типа. Учеб. пособие по курсовому проектированию/ Под редакцией д-ра техн. наук, проф. Ю. А. Крашаницы. — Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2001. — 78 стр.

3. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. - 544 стр.

4. Беляев Е.Ф. Методические указания к расчету и проектированию электрических машин малой мощности

5. Домбровский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины: Теория, расчёт, элементы проектирования. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 368 стр. ISBN: 5-283-04434-3

6. Извеков В.И., Серихин Н.А., Абрамов А.И. Проектирование турбогенераторов. 2-е издание. М.: МЭИ, 2005.- 440 стр., ил

7. Серова Л.М., Серов А.Е. Расчет и построение характеристик синхронных машин. Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2001. Учебное пособие.

8. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высш. школа, 1982. - 272 стр.

9. Постников И.М. Проектирование электрических машин. 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Государственное издательство технической литературы УССР, 1960. - 910 стр.

10. Шуйский В.П. Расчет электрических машин. Л.: Энергия, 1968. - 732 стр.: ил.

2.2 Описание и сравнение методов расчета

При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать следующие их особенности:

1) для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения;

2) механические системы управления частотой вращения ветротурбины достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора;

3) оптимальная частота вращения ветротурбины тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом не более 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветротурбины приходится использовать повышающие редукторы, удорожающие ветроустановку и ее обслуживание. Альтернативой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения;

4) в конструкции ветроэлектрической установки предусматривается, как правило, возможность отключения генератора от ветротурбины и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии, поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветротурбины. При отсутствии такой связи даже при “мягком” соединении генератора с ветротурбиной необходимы специальные демпфирующие устройства, дли того чтобы исключить механические удары, перегрузки и броски напряжений на выходе генератора.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ. а именно:

а) наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных районах, на островах и в море. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных районах;

б) анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5 – 10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами;

в) энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 33 кВ), при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно;

г) так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или быть запараллеленными электроэнергетическими установками других типов.

Расчет и проектирование ветродвигателя осуществляется на основе законов аэродинамики. Применительно к ветроэнергетике аэродинамика изучает поведение ветроколеса и других элементов ветродвигателя при действии на них воздушного потока, имеющего определенные скорость и направление. Взаимодействие между ветродвигателем и потоком ветра достаточно сложное, так как скорость в различных сечениях различна, порывы смещены по фазе один относительно другого, вектор скорости все время изменяется по величине и направлению. При выработке методики расчетов используют три основных закона аэродинамики: закон обращения движения, закон постоянства массы и закон сохранения энергии.

Наибольше распространение получили крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения как наиболее совершенные. В современных аппаратах применяются лопасти со специальным аэродинамическим профилем.

Существуют две основные теории расчета ветроколеса: классическая теория Н.Е. Жуковского для идеального ветроколеса и теория Г.Х. Сабинина.

Классическая теория идеального ветряка формулирует следующие основные положения:

• максимальный коэффициент энергии ветра идеального ветроколеса достигает значения 0,593.

• потеря скорости в плоскости ветроколеса составляет 1/3 скорости ветра.

• полная потеря скорости ветра в два раза больше потери скорости в плоскости ветроколеса - ν₂₌2ν₁

• скорость ветра за ветроколесом в три раза меньше скорости ветра перед колесом, коэффициент лобового давления на идеальное ветроколесо - 0,888.

• Осевое давление ветрового потока - P=m₁* ν₂, где масса воздуха в потоке - m₁=F₁*ρ(V- ν₁)

По теории идеального ветряка Г.Х. Сабинина, который ввел понятие "вихревой соленоид", рассчитал импульс сил в потоке в зоне ветротурбины и учел дополнительную массу воздуха, захваченную в плоскости вращения соленоидом:

• максимальный коэффициент энергии ветра идеального ветроколеса достигает значения 0,687.

• скорость ветра за ветроколесом в три раза меньше скорости ветра перед колесом, коэффициент лобового давления на идеальное ветроколесо - 1,172.

• полная потеря скорости ветра в два раза больше потери скорости в плоскости ветроколеса - ν₂₌2ν₁/(1+ ν₁/V)

• кроме массы воздуха, протекающей через ометаемую поверхность ветроколеса, принимается во внимание дополнительная масса воздуха m₁, засасываемая внутри вихревого соленоида, осевое давление составляет

P=(m₁+ m₂)* ν₂= F₁*ρV*ν₂