Файл: Инструкция по получению доступа прилагается к заданию в курсе. 2 Откройте на виртуальном рабочем столе папку Лабораторные работы.docx

Раздел 1. Методы и средства повышения энергетической эффективности

Цель работы – провести обучающий физический эксперимент по изучению КПД ветроэнергетической системы.

1. Порядок запуска виртуальной лабораторной работы (ВЛР)

1) Получите доступ к виртуальному рабочему столу. Инструкция по получению доступа прилагается к заданию в курсе.

2) Откройте на виртуальном рабочем столе папку «Лабораторные работы», выберите папку «ЕМАКЕТ», в ней запустите двойным щелчком левой кнопкой мыши программу eLabsClient.

3) В правой части экрана можно ознакомиться с руководством пользователя по эксплуатации программы.

4) В левой части экрана в списке доступных продуктов нажмите на блок «Альтернативные, возобновляемые и традиционные источники энергии», чтобы развернуть список, и кликните по названию работы «КПД ветроэнергетической системы» для запуска. В появившемся окне нажмите кнопку «Запустить».

5) Подведите курсор к правому верхнему углу экрана – появится пиктограмма листка бумаги — это методическое пособие к лабораторной работе. Щелкните по ней, чтобы развернуть и ознакомиться.

Второй щелчок по этой пиктограмме свернет методическое пособие.

2. Управление ВЛР

В виртуальной лаборатории используются стандартные средства управления.

Клавиши клавиатуры:

«W» – перемещение вперед;

«S» – перемещение назад;

«A» – перемещение влево;

«D» – перемещение вправо.

Правая кнопка мыши

Для изменения направления взгляда (поворота головы) используется перемещение мыши с нажатой правой кнопкой.

Левая кнопка мыши

Для выбора объекта, его перемещения, поворота и т. д. используется нажатие левой кнопки мыши.

Для перемещения или поворота объекта необходимо выполнить нажатие на объект левой кнопкой мыши и произвести перемещение курсора, удерживая кнопку нажатой.

3. Краткая теория

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка, сокращенно ВЭУ) – устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Ветрогенераторы можно разделить на три категории:

- промышленные;

- коммерческие;

- бытовые (для частного использования).

Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате чего получается ветровая электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) – полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС – высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.

Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока N, определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью:

,

где

– скорость ветра;

– плотность воздуха;

– ометаемая площадь.

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.

Выделяют два основных типа ветротурбин:

- с вертикальной осью вращения («карусельные» – роторные (в том числе «ротор Савониуса»), «лопастные» ортогональные – ротор Дарье);

- с горизонтальной осью круглого вращения (крыльчатые). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными, КПД – до 40 %.

Также существуют барабанные и роторные ветротурбины.

Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (снижается с ростом числа лопастей).

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0,593. Это объясняется тем, что роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти,

К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0,4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) «ГРЦ-Вертикаль» составляет 0,38. Проведенные экспериментальные исследования

российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0,4-0,45 – вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

Промышленная ветровая установка (рис. 4) состоит:

из фундамента;
силового шкафа, включающего силовые контакторы и цепи управления;
башни;
лестницы;
поворотного механизма;
гондолы;
электрического генератора;
системы слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр);
тормозной системы;
трансмиссии;
лопастей;
системы изменения угла атаки лопасти;
обтекателя;
системы пожаротушения;
телекоммуникационной системы для передачи данных о работе ветрогенератора;
системы молниезащиты;
привода питча.

Рис. 4. Устройство ветрогенератора

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы.

Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.

Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать.

Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра и ротор останется неподвижным.

Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается.

Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Также для больших ветростанций существует большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.

Нестабильность работы генератора. Ввиду того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, их стабильная работа зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.

Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.

Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.

Шум и вибрация.

4. Лабораторное оборудование

В лабораторное оборудование входит следующее:

1) панель управления скоростью ветра (вызывается при нажатии на дерево);

2) бытовые ветрогенераторы (рис. 6);

3) ветрогенераторы промышленного типа (рис. 5);

Рис. 5. Лабораторное оборудование. Ветрогенераторы промышленного типа

Рис. 6. Лабораторное оборудование. Бытовые ветрогенераторы различных конструкций
В составе лабораторного оборудования представлены 2 ветрогенератора промышленного типа (рис. 5) и 6 типов бытовых ветрогенераторов различных конструкций (рис. 6).

5. Порядок выполнения работы

Изучите конструктивные особенности ветрогенераторов, определите типы ветротурбин.
При помощи панели управления (1) установите силу ветра 2 м/с, в последующем увеличивайте силу ветра на 1 м/с для каждого эксперимента.
«Подойдите» к каждому ветрогенератору и нажмите на любую его часть – в результате отобразится информация об эквивалентном диаметре ротора (если он не указан, необходимо рассчитать (см. п. 5)), а также информация о вырабатываемой в данный момент мощности. Зафиксируйте данные в отчете.
Аналитически рассчитайте мощность ветрогенератора от скорости ветра. Зафиксируйте данные в отчете.
Если эквивалентный диаметр не указан, рассчитайте его по известной мощности и скорости ветра. Зафиксируйте данные в отчете.
Сравните полученные данные с расчетными для каждого ветрогенератора.
Постройте график зависимости мощности каждого ветрогенератора от скорости ветра.
Оформите отчет согласно структуре, приведенной ниже, и прикрепите его в курс для проверки.

6. Структура отчета по проделанной работе

Титульный лист (стандартный, прикреплен в курсе).
Цель и задачи работы (бланк).
Схема установки и используемое оборудование. Типы ветротурбин (бланк).
Определение неизвестных эквивалентных диаметров по известной скорости ветра и вырабатываемой мощности.
Результаты измерений (таблица 3 в бланке).
Тип ветротурбины, эквивалентный диаметр.
Скорость ветра, м/с.
Вырабатываемая мощность (фактическая и расчетная), Вт.
Графики зависимости мощности ветрогенератора от скорости ветра (по оси X – скорость ветра, Y – вырабатываемая мощность).
Письменные ответы на контрольные вопросы (таблица 4 в бланке).
Выводы (бланк).