CC BY
75
Беспалов Вадим Игоревич
Vadim I. BESPALOV Ростовский государственный строительный университет
Rostovskiy state building university. Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инженерная защита окружающей среды» Ростовского государственного строительного университета.
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Environmental Engineering, Rostov State University of Civil Engineering.
Г аничева Любовь Захаровна
GANICHEVA Lubov Zaharovna Ростовский государственный строительный университет
Rostovskiy state building university. Кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды» Ростовского государственного строительного университета.
candidate геолого-mineral sciences, assistant professor of the pulpit engineering protection of environment
Rostov State University of Civil Engineering.
E-Mail: izos-rgsu@mail.ru
Методические основы выбора ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения жилых объектов
The main steps of the method of choice for wind turbines autonomous power house
Аннотация: В статье рассматриваются основные этапы методики выбора ветроуста-новки для автономного электроснабжения жилого дома на основе эксплуатационных параметров, а также эффективности и экономичности ветроэнергоустановок.
The Abstract: The article deals with the main steps of the method of choice for wind turbines autonomous power house by using their main operating parameters, the efficiency and the economy.
Ключевые слова: ветроэнергетические установки, ветроколесо, энергия ветра, ветро-генератор, автономное электроснабжение, эксплуатационные параметры, воздушный поток.
Keywords: wind power plants, wind wheel, wind energy, wind generator, autonomous power supply, operating parameters, the air flow.
***
Известно, что энергию ветра можно использовать для водо-, тепло- и электроснабжения автономных объектов, удаленных от централизованных систем водо - и энергоснабжения, а также в ветроэнергоактивных зданиях, расположенных в районах городской застройки.
Использование ветродвигателей представляет также значительный практический интерес для фермерских хозяйств, сельских жилых домов и т.п. Использование энергии ветра позволяет решить многие задачи, связанные с обеспечением энергетической автономности перечисленных объектов и, следовательно, энергетической независимости от централизованных систем, в частности, электроснабжения жилых объектов [1].
Кроме того, использование ветровой энергии обеспечивает относительную экологическую безопасность (сокращение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, снижение уровня теплового и электромагнитного воздействия на окружающую среду, отсутствие угрозы радиоактивного загрязнения) [2].
Однако ветроэнергетические установки (ВЭУ) также обладают и рядом недостатков, объясняющих сравнительно медленное их внедрение в практику, в частности:
- ветровой поток характеризуется значительными мгновенными колебаниями вектора скорости;
- средние значения скорости ветра значительно изменяются в суточном и годовом
циклах.
Перечисленные факторы обусловливают необходимость аккумулирования производимой энергии в периоды оптимальных ветровых нагрузок и ее использование в периоды пикового потребления.
Анализ возможности применения ВЭУ для целей электроснабжения на территории России доказывает их потенциальную энергетическую эффективность и экономическую целесообразность по сравнению с традиционными источниками электроснабжения.
Многообразие конструктивных и технологических вариантов ВЭУ, а также анализ существующих подходов к их расчету и проектированию позволяет заключить, что в настоящее время, во-первых, практически отсутствует достаточно объективная методика выбора оптимальных конструкции и технологии преобразования ветровой энергии в электрическую, во-вторых, разработка такой методики должна базироваться на эффективности и экономичности ВЭУ как основных критериях оптимизации.
Предлагаемая нами методика выбора оптимальных конструкции и технологии ВЭУ для автономного электроснабжения жилого объекта включает следующие основные этапы реализации [1]:
1. Формирование блока исходных данных для объекта электроснабжения:
1.1. Формирование блока географических и климатических исходных данных на основе определения географического положения объекта электроснабжения и анализа климатических условий местности (район расположения объекта, его географические координаты, рельеф местности, среднегодовая скорость и преобладающее направление ветра).
1.2. Формирование блока архитектурно-строительных исходных данных на основе описания вида собственности, этажности, числа жителей, фактической удельной жилищной площадью, м2/чел., длины, ширины, площади объекта в целом и его помещений, виды и характеристики используемых электроприборов и оборудования.
2. Расчёт потребности в электроэнергии объекта электроснабжения, включающий:
2.1. Расчёт потребности в электроэнергии на освещение помещений и объекта в целом Еосв в расчете на п жителей по формуле:
^осе ^ > кВт, (1)
(7 365)
где: 7 - среднее количество часов использования освещения в течение дня, ч; 365 -среднее количество дней в году, дн.Эосв год - годовой расход электроэнергии на освещение в расчете на 1 жителя, кВт-ч/чел., определяемый по формуле:
Эосв. год Ржн №уст. ос в И Итах 10 , кВт.ч/чел, (2)
где: ¥жн - фактическая удельная жилищная площадь, м2/чел.; Шуст.осн - установленная мощность источников света единицу общей площади, Вт/м2; И - коэффициент одновременного включения осветительных приборов; Итах - среднее количество часов использования максимальной мощности в году, ч/год.
2.2. Расчёт потребности в электроэнергии на стирку и глажение белья Ексг в расчете на п жителей по формуле:
£'кг = ^_ 2^) 'П ’ К^Т’ (3)
где: Эксг,год - годовой расход электроэнергии на кипячение, стирку, глажение белья в расчете на 1 человека, кВт-ч/чел.; 52 - среднее количество дней в году расхода электроэнергии на стирку и глажение белья в расчете на п жителей; 2 - среднее количество дней в неделю расхода электроэнергии на стирку и глажение белья в расчете на п жителей; 3 - среднее количество часов в день расхода электроэнергии на стирку и глажение белья в расчете на п жителей.
2.3. Расчёт потребности в электроэнергии на приготовление пищи Еэп в расчете на п жителей по формуле:
э
Еэп = 'И , кВт, (4)
где: Ээп.год - годовой расход электроэнергии на приготовление пищи в расчете на 1 человека, кВт-ч/чел.
2.4. Расчёт потребности в электроэнергии для использования холодильника, морозильника Ехм по формуле:
£“ = ^-кВт- (5)
где: Эхм.год - годовой расход электроэнергии при использовании холодильника, морозильника в расчете на п жителей, кВт-ч; 4 - среднее количество часов в день расхода электроэнергии на работу холодильника, морозильника; 339 - среднее количество дней в году расхода электроэнергии на пользование холодильником, морозильником.
2.5. Расчёт потребности в электроэнергии для использования телевизора, ви-
деомагнитофона, компьютера Егвк по формуле:
Этвк.го^
= •кВт • <6>
где: Этвк.год - годовой расход электроэнергии при использовании телевизора, видео-
магнитофона, компьютера в расчете на п жителей, кВт-ч; 4 - среднее количество часов в день
расхода электроэнергии на работу телевизора, видеомагнитофона, компьютера; 313 - среднее количество дней в году расхода электроэнергии на пользование телевизором, видеомагнитофоном, компьютером.
2.6. Расчёт потребности в электроэнергии для использования радиоприемника, магнитофона Ерм по формуле:
ер* = •кВт> <7)
где: Эрм.год - годовой расход электроэнергии при использовании радиоприемника, магнитофона в расчете на п жителей, кВт-ч; 2 - среднее количество часов в день расхода электро-
энергии при использовании радиоприемника, магнитофона.
2.7. Расчёт потребности в электроэнергии для использования пылесоса, полотера Епп по формуле:
Эшиод
Е-пп =-------> кВт, (8)
пп (2-52-2} 4 7
где: Эппгод - годовой расход электроэнергии при использовании пылесоса, полотера в расчете на п жителей, кВт-ч; 2 - среднее количество дней в неделю расхода электроэнергии при использовании пылесоса, полотера; 52 - среднее количество дней в году расхода электроэнергии при использовании пылесоса, полотера; 2 - среднее количество часов в день расхода электроэнергии при использовании пылесоса, полотера.
2.8. Расчёт потребности в электроэнергии для использования швейной машины Ешм по формуле:
_ Эпш .год
ЕШМ = „ , кВт, (9)
52
где Эшм.год - годовой расход электроэнергии при использовании швейной машины в расчете на п жителей, кВт-ч; 52 - среднее количество дней в году расхода электроэнергии при использовании швейной машины.
2.9. Расчёт потребности в электроэнергии для использования мелких бытовых приборов Ембп по формуле:
„ Эмоп.год ^
Ешм = — , кВт, (10)
где Эмбпгод - годовой расход электроэнергии при использовании мелких бытовых при-
боров в расчете на п жителей, кВт-ч.
2.10. Расчёт потребности в электроэнергии Екон на кондиционирование воздуха в расчете на п жителей по формуле:
Екон = 0,44 ' п , кВт. (11)
2.11. Расчет суммарной потребности в электроэнергии Е для электроснабжения жилого объекта по формуле:
Епотр _ Еосв + Екс + Еэп + Ехм + Етвк + Ерм + Епп + Ешм + Ембп + Екон , кВт. (12)
3. Выбор конструктивных вариантов ВЭУ, энергетическая мощность Евэу которых удовлетворяет условию:
Евэу > Епотр . (13)
4. Для каждого варианта ВЭУ, выбранного по п.3, расчёт основных технических и энергетических параметров, включающий определение:
4.1. Кинетической энергии воздушного (ветрового) потока в единицу времени, определяемой по формуле:
К=ш/У2, Вт , (14)
где: У - скорость ветра, м/с; ш - массовый расход воздуха, кг/с, определяемый по формуле:
ш=рУБ, кг/с, (15)
где: р - плотность воздуха, кг/м3; Б - площадь, охватываемая вращающимся ветроколе-сом, м2, определяемая по формулам:
- для аксиальных ветродвигателем:
5і = -ТїО2 ,м2; (16)
4
- для ортогональных ветродвигателей:
8=БН, м2 , (17)
2
где: Б - диаметр аксиального или ортогонального ветроколеса, м ; Н - высота ортогонального ветроколеса, м.
4.2. Мощности ветрового потока:
Р=рУ3Б/2, Вт. (18)
4.3. Коэффициента использования мощности:
Ср=Рвк/Р. (19)
4.4. Коэффициента момента окружных сил:
Сы=2М/дЕБ, (20)
где: РВК - мощность потока, использованная ветроколесом в процессе его вращатель-
ного движения, Вт; М - момент, создаваемый окружной силой, Нм; д - скоростной напор, определяемый по формуле:
Я=рУ2/2, Н/м2 . (21)
4.5. Коэффициента быстроходности:
2= юЯ/У, (22)
где: ю - угловая скорость на внешней стороне ветроколеса.
5. Выбор оптимальной по конструкции и технологии ВЭУ для автономного электроснабжения жилого объекта на основе:
- сопоставления технических и энергетических параметров ВЭУ между собой при соблюдении условия:
Рвэу / Р ^ 1, (23)
где: Рвэу - номинальная мощность ВЭУ, кВт;
- минимальных капитальных затрат и эксплуатационных расходов;
- минимального срока окупаемости;
- простоты конструкции и управления ВЭУ.
ЛИТЕРАТУРА
Беспалов В.И., Ганичева Л.З. Технология использования возобновляемых видов энергии. - Ростов-на-Дону: Изд-во РГСУ, 2012. - 169 с.
1. Шишкин Н.Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми ис-
точниками энергии. - М., Готика, 2000. - 220 с.
