2.7. Приклади розрахунків

Визначення параметрів ротора вітроенергетичної установки

Дано: потужність вітроустановки Р_н = 3 кВт; середньорічна швидкість вітру v_с.р = 4,2 м/с; температура навколишнього середовища = –15…+25 С; тиск В = 720…760 мм рт. ст.

1. Розрахунок номінальної швидкості вітру, м/с:

– для швидкохідних роторів: v_н = 1,5 v_с.р = 6,3;

– для тихохідних роторів: v_н = 1,25 v_с.р = 5,25.

2. Діаметр ротора вітроенергетичної установки, м:

• для швидкохідних роторів;

( 9);

• для тихохідних роторів:

( 12).

3. Зміна потужності у разі зміни температури та тиску:

t= –15 C B = 720 мм рт.ст. кВт;

B = 760 мм рт.ст. кВт.

t= 25 C B = 720 мм рт.ст. кВт;

B = 760 мм рт.ст. кВт.

Розрахунок параметрів лопаті вітроенергетичної установки

Дано: потужність вітроустановки Р_н = 3 кВт; модуль (швидкохідність) тихохідної установки Z_т = 0,9; модуль (швидкохідність) швидкохідної установки Z_ш = 5,5; кількість лопатей тихохідної установки п_т = 18; кількість лопатей швидкохідної установки п_ш = 3, середня річна швидкість вітру v_с.р = 4,2 м/с, коефіцієнт потужностей  = 0,3.

1. Визначення «робочого» діаметра ротора:

• площа обмаху ротора:

а) тихохідного

оскільки внутрішня частина ротора приблизно на 1/3 радіуса не використовується, то «робоча» площа

,

тоді «робочий» діаметр становитиме 12,4 м;

б) швидкохідного

= 9,6 м.

2. Визначення швидкості на кінцях лопатей:

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Швидкість вітру, що протікає через ротор, м/с Колова швидкість, м/с u = vн z; Кут між вектором результуючої швидкості та направленням осі (): Результуюча швидкість, м/с	3,5 4,725 53º28′	4,2 34,65 83º5′

3. Визначення дійсного діаметра:

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Відстань між лопатями, м ; Ширина повітряної полоси між лопатями, м b = a cos; Дійсний діаметр, м D = D′ + 0,44b; Довжина кола, м D; Кутова швидкість, 1/с  = 2u/D; Кількість обертів, об/хв	2,16  0,5943 = 1,28 12,4 + 0,44  1,28 = 12,96 40,69 2  4,75/12,96 = 0,73 0,73  60/6,28 = 6,97	10,05  0,11 = 1,11 9,6 + 0,44  1,11 = 10,09 31,68 2  34,65/10,09 = 6,87 6,87  60/6,28 = 65,64

4. Визначення ширини та кута установки лопаті на 2/3 радіуса ротора

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Довжина кола на 2/3 радіуса, м Кількість модулів на 2/3 радіуса Кут атаки  (за полярами Лілієнталя) Коефіцієнт піднімальної сили са (за полярами Лілієнталя) Доцільна ширина крила, м , – Кут встановлення лопаті β + 	(2/3)40,69 = 27,13 (2/3)0,9=0,6 5 0,9 47	(2/3)31,68 = 21,12 (2/3)5,5 = 3,7 1 30 0,7 81 17

5. Визначення ширини та кута встановлення лопаті на зовнішнім кінці

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Довжина кола, що описує зовнішній кінець, м Кількість модулів Кут атаки  (припускаємо) Коефіцієнт піднімальної сили Са Доцільна ширина крила, м Кут встановлення лопаті β + 	40,69 0,9 2 0,7 arctg(1,5  0,9) = 533 553	31,68 5,5 1,5 0,7 arctg(1,5  5,5) = 835 8435

6. Визначення ширини та кута встановлення лопаті на внутрішньому кінці (1/3 радіуса)

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Довжина кола на 1/3 радіуса, м Кількість модулів на 1/3 радіуса Кут атаки  (приймаємо) Коефіцієнт піднімальної сили Са Доцільна ширина крила – Кут встановлення лопаті β + 	(1/3)  40,69=13,56 (1/3) 0,9 = 0,3 6 1,0 3012	(1/3)  34,3=11,43 (1/3)  5,5 = 1,8 1,5 0,9 7110

7. Визначення обернених коефіцієнтів якості лопаті на 2/3 радіуса

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Кут атаки  Коефіцієнт піднімальної сили Са Коефіцієнт опору С Обернений коефіцієнт якості крила  = С / Са	5 0,9 0,032 0,035	130 0,7 0,01 0,014

8. Визначення обернених коефіцієнтів якості на зовнішній частині лопаті

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Кут атаки  Коефіцієнт підйомної сили Са Коефіцієнт опору С Обернений коефіцієнт якості крила = С/Са	2 0,7 0,019 0,027	130 0,7 0,01 0,014

9. Визначення обернених коефіцієнтів якості на внутрішній частині лопаті

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Кут атаки  Коефіцієнт піднімальної сили Са Коефіцієнт опору С Обернений коефіцієнт якості крила  = С / Са	6 1,0 0,039 0,039	130 0,7 0,01 0,014

Розрахунок опор вітроенергетичних установок

Дано: Висота перешкоди перед вітроустановкою –7 м, відстань від верхівки перешкоди до нижньої точки кола обмаху ротора – 2 м, радіус ротора тихохідної установки – 6 м, швидкохідної – 4,5 м (площа лопаті 5,7 м², кутова швидкість 2,2 с^–1), маса опори 1300 кг (знаходять після визначення висоти опори)

1. Мінімальна висота опори:

   Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
   H = h + c + R, м	7 + 2 + 6 = 15	7 + 2 + 4,5 = 13,5

2. Вітрове навантаження на опору:

Характеристики ротора	Тихохідного	Швидкохідного
Тип опори Навантаження у разі Нмод = 0,486 м; v = 40 м/с; Rх = 0,00085;  = 1,01	Фермова, чотиринога Р = 6770RхН2 = 1294,76	Циліндрична Р = 7,1 Н2 = 1306,9

3. Лобовий тиск на ротор:

• для тихохідного (ІІ крива  = 45):

• для швидкохідного:

с_у = 1,12; (b/) = 20 – відношення хорди лопаті до висоти);

= = 3,12 м;

4. Момент біля основи опори, кг  м:

М = Р_лН + Р_б Н_б;

для тихохідного – М = 656,515 +1300  (15  0,428+1,1) = 19597,5;

для швидкохідного – М = 534,213,5 + 1300  7= 16311,7.

5. Стискальна сила:

• для чотириногої опори:

– на задню ногу:

P₂ = 0,25G + G_ф + P_м.

Питомий тиск р = Р₂ / b² – для середніх ґрунтів 2кг/см²(20  10³кг/м²).

Маса фундаменту під одну ногу: G_ф = b²h(b² – площа; h – глибина закладки 1,1м;  – густина матеріалу фундаменту (бетон)  210³кг/м³).

Маса вітроустановки (опора – 1300 кг; ротор, хвіст, гондола – в сумі 141R²). Площа фундаменту, м²:

– для циліндричної башти (за діаметра опори 0,4 м):

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 – одна зміна, двохразове доїння.

Процеси	Години доби
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
Доїння
Охолодження молока
Водонагрівання
Прибирання гною
Освітлення: основне чергове

Р, кВт

t,год

Рис. 2.4. Навантажувальна діаграма

Аналіз характеру навантаження протягом доби:

1–5 год: активне навантаження (освітлення, нагрівник) – 13 кВт; активно-індуктивне (холодильник) – 8 кВт; сумарне (одночасне) – 21 кВт.

5–7 год: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт; активно-індуктивне (холодильник, доїльне обладнання) – 18 кВт; сумарне (одночасне) – 26 кВт.

7–8 год: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт; активно-індук­тивне (холодильник) – 8 кВт; сумарне (одночасне) – 16 кВт.

8–10 год: технологічна пауза;

10–12 год: активно-індуктивне (прибирання гною) – 11 кВт;

12–14 год: технологічна пауза;

14–16 год: активне навантаження (освітлення, нагрівач) – 12 кВт;

16–18 год: активне (нагрівання) – 13 кВт;

18–20 год: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт; активно-індуктив­не (холодильник, доїльне обладнання) – 18 кВт; сумарне (одночасне) – 26 кВт.

20–21 год: активне навантаження (освітлення) – 8 кВт; активно-ін­дуктивне (холодильник) – 8 кВт; сумарне (одночасне) – 16 кВт.

21–1 год: активне навантаження (освітлення) – 1 кВт; активно-ін­дуктивне (холодильник) – 8 кВт; сумарне (одночасне) – 9 кВт.

Вимоги генератора до потужності у певні періоди доби:

, де к = 1 – активне навантаження; к = 0,9 – привод з вентиляторним моментом; к = 0,35 – привод з постійним моментом.

Потужність генератора в певні періоди доби, кВА:

1. Р_г1 = 1,36  13 = 17,7  18; Р_г2 = 1,36  8/0,9 = 12,08  12; Р_г = 18 + 12 = 30.

2. Р_г1 = 1,36  8 = 11; Р_г2 = 1,36  18/0,9 = 27,2; Р_г = 38.

3. Р_г1 = 1,36  8 = 11; Р_г2 = 1,36  8/0,9 = 12,08  12;

4. Р_г = 0; Р_г = 23.

5. Р_г = 1,36  11/0,35 = 43.

7. Р_г = 1,36  12 = 16,3.

8. Р_г = 1,36  13 = 18.

9. Р_г1 = 1,36  8 = 11; Р_г2 = 1,36  18/0,9 = 27,2; Р_г = 38.

10. Р_г1 = 1,36  8 = 11; Р_г2 =1,36  8/0,9 = 12,08  12; Р_г =23.

11. Р_г1 = 1,36  1 = 1,4; Р_г2 =1,36  8/0,9 = 12,08  12; Р_г = 14.

Максимальне значення 43 кВА. За каталогом приймаємо 45 кВА.