Д.т.н. Воронин С.М., аспирантка Бабина Л.В.

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия" (АЧГАА), Зерноград, Ростовская обл., Россия

ОБОСНОВАНИЕ РАБОЧЕЙ СКОРОСТИ ВЕТРА ДЛЯ ВЕТРОАККУМУЛЯТОРНОЙ РЕЗЕРВНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Резервная ветроаккумуляторная электростанция заряжает аккумулятор в течение бесперебойной подачи электроэнергии от основного источника энергии, который впоследствии может использоваться как резервный источник электроэнергии, например, для доильной установки. Фактическое время зарядки аккумулятора, мощность ветроэнергетической установки, а также ее размеры зависят от рабочей скорости ветра. Наибольшую энергию ветроустановка будет выдавать при определенной скорости ветра. В этой связи, целью работы стало обоснование рабочей скорости ветра для резервной ветроаккумуляторной электростанции.

Для достижения поставленной цели нами были получены и проанализированы следующие зависимости: зависимость вырабатываемой энергии ветра от его скорости, зависимость отношения энергии ветра к ометаемой площади от его скорости, зависимость времени зарядки аккумулятора от скорости ветра.

Удельная мощность ветрового потока определяется из следующего выражения:

₍₁₎

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

v_р – рабочая скорость ветра, м/с.

Энергия ветра за время между отключениями:

E=N_В·τ_ф (2)

где τ_ф – фактическое время действия ветра за период между отключениями, час.

Фактическое время зарядки определяется по следующей формуле:

τ_ф=τ_з р(v≥v_p) (3)

где τ_з – время между отключениями, τ_з=168 час;

р(v≥v_p) – вероятность того, что скорость ветра будет не меньше рабочей скорости.

Зависимость вырабатываемой энергии от рабочей скорости ветра для условий Ростовской области показана на рисунке 1.

Скорость ветра, м/с

Рисунок 1 – Зависимость энергии ветра от скорости ветра.

Из графика на рисунке 1 следует, что рабочая скорость ветра, при которой энергия максимальна, находиться в диапазоне 6 – 9 м/с.

Размеры, а, следовательно, и стоимость ветроустановки зависят от ометаемой площади [1]. В зависимость от мощности ветроустаноки, ометаемая площадь определяется по формуле:

₍₄₎

где Е_потр– потребляемая энергия, кВт·ч;

С_N – коэффициент использования мощности ветра.

Потребляемая энергия определяется следующим образом:

₍₅₎

где С_А – емкость аккумуляторной батареи, А·ч;

U – напряжение аккумулятора, В.

Так как вырабатываемая энергия зависит от рабочей скорости ветра, которая определяет и ометаемую площадь ветроколеса, то представляет интерес удельный показатель вырабатываемой энергии к ометаемой площади (рисунок 2).

Скорость ветра, м/с

Рисунок 2 – Зависимость отношения энергии ветра к ометаемой площади от скорости ветра.

Как видно из приведенного графика (рисунок 2), функция вырабатываемой энергии зависит от распределения скоростей ветра и имеет явно выраженный максимум 6 – 9 м/с.

Таким образом, и по общей выработке энергии, и по отношению энергии к ометаемой площади ветроколеса, рабочую скорость следует выбирать в диапазоне 6 – 9 м/с.

Ометаемая площадь ветроколеса для определенной требуемой мощности (а значит и размеры ветроустановки) обратно пропорциональна рабочей скорости ветра в третьей степени

(6)

С учетом (6) наиболее предпочтительной будет рабочая скорость ветра 9 м/с. Однако время действия ветра уменьшается с увеличением его скорости, то есть, при максимально рекомендуемой рабочей скорости фактическое время зарядки аккумулятора может быть пренебрежимо мало. С учетом того, что время действия ветра с определенной скоростью – величина случайная, может оказаться, что в течение всего периода между отключениями не будет ветра с достаточной скоростью и аккумулятор резервной электростанции не зарядится.

На рисунке 3 приведена зависимость фактического времени заряда аккумулятора от рабочей скорости ветра.

Скорость ветра, м/с

Рисунок 3 – Зависимость времени фактической зарядки аккумулятора от скорости ветра.

Из рисунка 3 следует, что при рабочей скорости ветра 6 м/с фактический период зарядки в четыре раза больше периода зарядки при рабочей скорости ветра 9 м/с. Сравнив графики рисунков 1,2,3, принимаем рабочую скорость ветра 6м/с. Фактическое время заряда аккумулятора при такой рабочей скорости ветра 80 часов. Так как математической ожидание продолжительности отказа составляет 1,33 часа [2], то мощность источника энергии для резервного электроснабжения доильной установки может быть в 60 раз меньше мощности потребителя. Это увеличивает конкурентоспособность ветроэлектростанции и создает предпосылки для получения сверх дешевой электроэнергии (меньше действующих тарифов на сетевую электроэнергию).

Литература

1. С.М Воронин. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. – Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА. 2008

2. С.М.Воронин, Н.С.Овсянников, О.С.Меняйлов, Л.В.Бабина. Резервная аккумуляторная электростанция для летних доильных площадок // Сборник научных трудов по материалам 74-й научно-практической конференции СТГАУ. 2010. С.229-232