Расчет системных ветроэлектростанций

Системные ветроэлектростанции являются разгрузочными источниками энергии в централизованной сети электроснабжения. В соответствии с назначением, системные электростанции не нуждаются в аккумуляторах энергии, так как работают (разгружают традиционные электростанции) только когда имеется ветер достаточной мощности. В связи с этим системные электростанции рассчитываются по максимальной выработке электроэнергии за год в конкретном климатическом регионе.

Исходным расчетным параметром, определяющим мощность системной ветроэлектростанции, является рабочая скорость ветра. Заметим, что конкретная ветроустановка не может иметь один и тот же коэффициент использования энергии ветра при разных скоростях, так как ее аэродинамические параметры рассчитываются на определенную рабочую скорость ветра, являющейся номинальной. При увеличении скорости ветра больше рабочей, мощность, снимаемая с ветроколеса, остается постоянной. Таким образом, не смотря на увеличение мощности ветрового потока при увеличении его скорости, мощность ветроэлектростанции не увеличивается.

В любой климатической зоне имеются ветра с различной скоростью, включая и штиль. Каждая климатическая зона имеет характерный для нее ветровой кадастр, определяющий вероятность скорости ветра. Время действия ветра с определенной скоростью на основании данных ветрового кадастра можно определить следующим образом.

t_V = v·T·p(v)                                                                            (7.13)

где t_V – время действия ветра со скоростью v, час;

T – число часов в году, час. Т = 8760 часов;

p(v) – вероятность ветра со скоростью v.

Если принять, что текущее значение скорости ветра является значением рабочей скорости, то энергия, передаваемая ветроколесом, равна:

                                                (7.14)

где ρ – плотность воздуха в ветровом потоке, кг/м³. Принимают ρ = 0,65 кг/м³;

v_Р – текущее значение рабочей скорости ветра, м/с;

Р(v ≥ v_Р) – вероятность того, что скорость ветра будет не меньше рабочей;

F_ВК – ометаемая площадь ветроколеса, м²;

С_ВК – коэффициент использования энергии ветра ветроколесом в номинальном режиме.

Вероятность того, что скорость ветра будет не меньше текущего значения рабочей скорости, равна сумме вероятностей скоростей ветра равных и больше рабочей:

при v_j ≥ v_Р

                                                                                                           (7.15)

Р(v ≥ v_Р) = 0            при v_j < v_Р

Расчет по формуле (7.14) с учетом (7.15) показывает, что максимальное значение передаваемой энергии будет у ветроколеса, рассчитанного на скорость ветра v_Р = 1,5v_СР, где v_СР – среднее значение скорости ветра для данной климатической зоны. При этом ветроустановка в течение примерно 3000 часов в году будет выдавать номинальную мощность, и в течение 150 часов 50% номинальной мощности.

Зная рабочую скорость ветра, мощность системной ветроэлектростанции можно определить по формуле:

N_ВЭС = 0,65 v_P³ F_BK c_BK η_ВК η_СГ                                                         (7.16)

где η_ВК – к.п.д. ветроколеса;

η_СГ – к.п.д. синхронного генератора.

Практически задаются желаемой мощностью ветроэлектростанции и рассчитывают ометаемую площадь ветроколеса и его диаметр. В заключении отметим, что ветроустановки мощностью более 100 кВт экономически эффективнее выполнять многоагрегатными, в которой мощность отдельной ветроустановки (агрегата) составляет 30 – 50 кВт.

Тепловой режим земной коры

Что бы понять, что собой представляет геотермальная энергия, вспомним о строении Земли. По современным представлениям твердая часть планеты Земля состоит из трех сфер (рисунок 8.1): земная кора, мантия и ядро.

Рисунок 8.1. Строение Земли

Естественно, эти сферы не являются сферами в геометрическом смысле слова. Так толщина земной коры под океанами достигает 7 км, а под атмосферой доходит до 130 км. То же самое можно сказать и о других сферах Земли.

Мантия имеет среднюю толщину около 2900 км, верхняя поверхность которой называется поверхностью Мохоровичича в честь югославского геофизика Андрея Мохоровичича. Ядро разделяется на внешнее, находящееся в жидком состоянии, и внутреннее, или субъядро.

Современные представления о происхождении Земли изменились. Ранее считалось, что планета Земля образовалась в виде сильно разогретого шара, который постепенно остывает. Сейчас известно, что Земля образовалась из скопления метеоритных тел около 4,7 млрд. лет назад и имела первоначальную температуру 700 – 2000ºС /8, 9, 10/. Затем ядро Земли не только не охлаждалось, а наоборот нагревалось за счет распада радиоактивных элементов. За счет протекания этих процессов из ядра Земли образовался тепловой поток к земной коре и ее поверхности. В современной теории земных процессов предполагается, что глубинные слои Земли продолжают медленно нагреваться на несколько градусов за 10 млн. лет, в то время как поверхность Земли еще медленнее охлаждается /8, 9, 10/.

Таким образом, по направлению к ядру Земли температура ее слоев повышается. На глубине 50 км она составляет 700 – 800ºС, на глубине 500 км около 1500 - 2000ºС, на глубине 1000 км приблизительно 1700 - 2500ºС, на границе раздела мантии и ядра (глубина 2900 – 3000 км) температура самая высокая, и достигает порядка 2000 - 4700ºС, в центре Земли на глубине 6371 км (средний радиус Земли) 2200 – 2500ºС. От более нагретого ядра на границе с мантией тепловой поток поступает к менее нагретой поверхности. Отметим, что хотя тепло, находящееся в центре Земли, огромно, плотность теплового потока на поверхности Земли составляет в среднем 0,05 Вт/м², то есть в 4000 раз меньше интенсивности солнечного излучения.

Из-за различной структуры и состава земной коры в ней имеются места способствующие проникновению глубинного тепла к поверхности. В этих местах температура вещества на глубине 5 – 10 км может составлять 100 - 300ºС. Чаще всего это вещество находится в виде нагретой воды или перегретого пара, и такие геотермальные источники называются соответственно гидро- и паротермальными.