Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Серафимов Андрей Михайлович

Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели
<
Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Серафимов Андрей Михайлович. Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.03 / Серафимов Андрей Михайлович; [Место защиты: Моск. гос. агроинженер. ун-т им. В.П. Горячкина]. - Москва, 2008. - 155 с. : ил.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7

1.1. Историческое развитие 7

1.2. Потенциал солнечной энергии 10

1.3. Объемы производства и стоимость солнечных модулей 18

1.4. Объемы производства «солнечной» энергии 22

1.5. Солнцезаправочные станции 32

1.6. Цель и задачи исследования 38

Глава 2. Основы теории энергообеспечения гибридного электромобиля ...39

2.1. Характеристики и тенденции развития бортовых источников энергии различной физической природы 39

2.1.1. Современные характеристики тяговых аккумуляторных батарей 40

2.1.2. Емкостные накопители электрической энергии 42

2.1.3. Солнечная батарея 46

2.1.4. Комбинированные энергетические установки электромобиля 52

2.2. Анализ математических моделей комбинированных энергетических установок с применением источников различной физической природы 64

2.2.1. Математическая модель тяговой аккумуляторной батареи 64

2.2.2. Математическая модель емкостного накопителя электрической энергии 68

2.2.3 Математическая модель солнечной батареи 71

2.2.4. Математическая модель электромобиля с комбинированной энергетической установкой 82

2.2.5. Подмодель транспортного средства 84

2.2.6. Подмодель условия движения ЭМ 85

2.2.7. Технико-эксплутационные показатели электромобиля с комбинированной энергетической установкой 87

2.3. Проверка адекватности разработанной обобщенной математической модели 91

2.4. Компоновка ЭМ с КЭУ, включающей ТАБ, ЕНЭ и СБ 95

2.5. Исследование взаимосвязей, процессов и закономерностей в электромобиле методами имитационного моделирования 96

2.6. Сравнительная оценка технико-эксплуатационных показателей

электромобиля с КЭУ, включающей ТАБ, ЕНЭ и СБ 103

2.7. Выводы по главе 2 107

Глава 3. Особенности построения комбинированной энергоустановки ... 108

3.1. Общие данные 108

3.2. Выводы по главе 3 123

Глава 4. Станции заряда с возобновляемыми источниками 124

4.1. Солнечная энергия 124

4.2 Ветровая энергия 125

4.3 Определение мощности энергостанции. Солнечная фотоэлектрическая станция 128

4.4 Ветроэлектрическая станция 129

4.5 Схемы генерирования электрической энергии 131

4.5.1 Электропроизводство за счет только одного источника энергии -Солнца 131

4\5.2 Электропроизводство за счёт только энергии ветра '1 133

4.5.3 Электропроизводство на основе комбинированного использования энергии Солнца и ветра 133

4.6. Расчет годовой выработки электрической энергии 134

4.7. Расчет годовой выработки электроэнергии ветроагрегатом 136

4.8. Выводы по главе 4 139

Общие выводы 141

Список литературы

Введение к работе

В связи с ухудшением экологической обстановки и сокращением ресурсов сырья для получения нефтепродуктов все большую актуальность приобретают экологически чистые транспортные средства с использованием альтернативных источников энергии. К ним относятся электромобили (ЭМ), в частности, один из перспективных видов - солнцемобиль (СМ), в котором для питания тягового электродвигателя (ТЭД) применяется солнечная энергия. Сдерживающими факторами широкомасштабного использования СМ в городских условиях являются высокая стоимость и низкий КПД солнечной батареи (СБ). Однако в течение последнего десятилетия стоимость СБ постоянно снижалась и одновременно повышалась их эффективность, что вновь привлекло внимание к проблеме создания легких СМ для внутригородских перевозок.

Целью настоящего исследования является комплексное изучение процессов, протекающих в СМ, и их взаимосвязей, рационализация на этой основе работы комбинированной энергоустановки (КЭУ), включающей СБ и тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ), и разработка экономичных алгоритмов управления электроприводом. Это позволит создать конкурентоспособный легкий'городской СМ.

Существующие СМ по принципу эксплуатации классифицированы следующим образом: индивидуальные, специальные для экологически чистых зон, городские и спортивные.

Анализ технических характеристик СМ показывает, что сегодня эффективны только малолитражные модели. Они созданы с применением наукоемких технологий в автомобилестроении, металлургии, производстве полупроводниковых материалов, электротехнике и электронике. Такие СМ массой 300-400 кг развивают скорость до 140 км/ч и проходят до 500 км в день. В большинстве из них применяются: композитные материалы (для изготовления шасси, кузовов); высокоэффективные СБ (г| = 20-27%) и энергоемкие ТАБ (удельная энергия є = 80-150 Вт ч/кг); вентильные ТЭД с

высокой удельной мощностью (1,5-2,5 кВт/кг); специальные шины с уменьшенным коэффициентом трения качения (f = 0,004-0,008). Они отличаются также хорошей аэродинамикой (коэффициент аэродинамического сопротивления сх = 0,08-0,12). В настоящее время разработаны опытные образцы городских СМ, в которых основным источником энергии является электрохимическая ТАБ.

Анализ процессов энергопреобразования и их взаимосвязей в СМ позволил определить специфику совместной работы СБ и ТАБ в КЭУ. Энергия СБ используется как дополнительная при разгоне, равномерном движении по ровной дороге и на подъем, а также для подзаряда ТАБ на стоянке, при его движении под уклон и торможении. Тяговая аккумуляторная батарея реализует динамические и перегрузочные режимы СМ, причем на разгоне выделяет мощность для требуемого ускорения, а при торможении поглощает рекуперируемую кинетическую энергию.

Объемы производства и стоимость солнечных модулей

В 1958 г. первые солнечные батареи начали функционировать почти одновременно на третьем советском искусственном спутнике Земли и на американском спутнике "Авангард" (мощность менее 1 Вт). Сегодня мощность солнечных панелей орбитальных пилотируемых станций "Салют" и "Мир" достигает десятков киловатт. Из-за высокой стоимости сферой использования солнечных модулей на долгие годы стал космос, где солнечная радиация является единственным постоянным источником энергии. В ограниченных объемах их использовали в военных целях, например для энергообеспечения ракетных следящих систем, автономных систем охраны, связи и сигнализации. Исследовательские и конструкторские разработки привели к тому, что сейчас конкурентоспособность фотоэлектрических установок приближается к системам, потребляющим традиционные энергоресурсы.

На протяжении 40 лет наблюдается устойчивая тенденция повышения КПД и снижения, стоимости ФЭП (рис. 1.7). Солнечные элементы на первых спутниках имели КПД 4—6 %, а их стоимость в то время превышала 1 тыс. дол. за 1 Вт установленной мощности. Каждые 5 лет стоимость ФЭП постепенно снижалась в среднем на 50 %. В настоящее время большинство отечественных и зарубежных предприятий производит ФЭП на основе монокристаллического кремния с КПД 10—12 %. В разных странах десятки исследовательских организаций, конструкторских бюро и производителей ведут интенсивные работы с целью повышения их эффективности.

Несколько лет назад сотрудники североамериканского Института исследования солнечной энергии в Гольдене (США) из сверхчистого кремния получили солнечные элементы с КПД 22,6 %. Дополнив их плоскими оптическими концентраторами света, так называемыми линзами Френеля, исследователи увеличили КПД до 28,2 %.

А. Барнетт из Делаварского университета (США) разработал конвейерную технологию производства ФЭП из поликристаллического кремния на керамической подложке. Он считает, что их стоимость при КПД 15 % не будет превышать 2 дол. за 1 Вт установленной мощности.

Очень интересна технология получения ФЭП в виде тончайших пленок из аморфного кремния. Хотя они имеют невысокую эффективность (КПД 6—10 %), низкий расход полупроводниковых материалов и автоматизированное производство позволяют снизить их стоимость до 1 дол. за 1 Вт. Японская национальная фотоэлектрическая программа "Солнечное сияние" предусматривает ускоренный рост производства солнечных элементов из аморфного кремния. В Японии уже получены их образцы размером 100x100 мм с КПД около 10 % и размером 300x400 мм с КПД 9 %. Для создания технологической базы по производству солнечных панелей из аморфного кремния в Москве организовано совместное российско-американское предприятие "Совлакс" с проектной производительностью конвейерной линии 2 МВт в год. Основой технологии производства солнечных элементов і здесь является процесс непрерывного осаждения слоев аморфного кремния толщиной 1—2 мкм на подложку из нержавеющей стали толщиной 125 мкм по принципу "с рулона на рулон". В результате получают гибкие и легкие фотоэлектрические модули, существенно отличающиеся от хрупких и тяжелых модулей на стекле.

Согласно расчетам, максимальный КПД солнечных элементов из аморфного кремния не превышает 15 %. Чтобы повысить их эффективность, американская компания "Соларекс" предложила комбинированные ФЭП с верхним слоем из аморфного кремния и нижним из кремний-германиевого сплава. Верхний слой поглощает видимую часть светового спектра, а нижний — инфракрасные лучи. При этом общий КПД солнечных элементов возрастает до 25 %. Разработанные лабораторией "Сандия" в Альбукерке (США) комбинированные ФЭП на основе арсенида галлия, поглощающего видимую часть солнечного спектра, и кристаллического кремния, поглощающего инфракрасный свет, дополненные оптическими концентраторами, имеют КПД 31 %. Созданный фирмой "Боинг" в Сиэтле (США) двухслойный солнечный

элемент, состоящий из плоского концентратора солнечного излучения и двух полупроводников — арсенида галлия и антимонида галлия — имеет рекордный КПД преобразования солнечной радиации в электроэнергию (37 %), что вполне сопоставимо с эффективностью современных тепловых и автономных электростанций. Согласно прогнозу, в течение 10 лет стоимость этих экзотических элементов снизится настолько, что станет экономически обоснованным их применение не только для космических, но и для наземных объектов.

Российские исследователи считают, что вполне реальна перспектива снижения стоимости солнечных элементов в 50—100 раз по сравнению с сегодняшним уровнем. Ими теоретически доказана возможность создания солнечных элементов с КПД до 44 % на однородных полупроводниковых материалах, а при использовании специальных каскадных гетероструктур — до 93 %.

По данным Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ, динамика производства, изменения качества и стоимости фотоэлектрических преобразователей в России характеризуется цифрами, приведенными в табл. 1.1 и 1.

Современные характеристики тяговых аккумуляторных батарей

Накопители электрической энергии (НЭ) находят все более широкое применение в транспортных средствах. Под НЭ понимается устройство, позволяющее накапливать в нем энергию какого-либо вида в течение периода заряда (t3), а затем передавать существенную часть этой энергии нагрузке в течение периода разряда (/ ). Взаимосвязь накопителя при заряде и разряде определяется законом сохранения энергии, выражающем очевидное соотношение: Pt ч\ = Р t зз У р р где Р3иР - среднее значение мощностей зарядного и разрядного процессов; Г - коэффициент полезного действия накопления (КПД); t3ntp- время заряда и разряда.

Значения t3 и / , а также энергетические показатели при заряде и разряде, могут сильно отличаться. Отсюда, существует несколько направлений использования накопителей энергии. Во-первых, их основная роль может сводиться к аккумулированию избыточной энергии при отключении значительной части потребителей, и, последующему использованию накопленной энергии в периоды интенсивного энергообеспечения. При этом t3 и tp имеют примерно одинаковый порядок, а показатели энергии при заряде и разряде достаточно близки. Во-вторых, основным назначением накопителей может быть преобразование энергии различного вида в электрическую энергию. В-третьих, накопители в соответствующих режимах обеспечивают преобразование необходимых показателей определенного вида. Например: если в НЭ любого вида t3 «tp то из уравнения (10) следует, что Рр«Р3, т.е. мощность, отдаваемая накопителем нагрузке, во много раз превышает мощность, потребляемую при заряде. Таким образом, НЭ является промежуточным звеном между системами генерирования и системами распределения и потребления энергии. По своему предназначению и способу преобразования энергии НЭ классифицируются на электрохимические, индуктивные, ёмкостные, с динамической активной зоной, механические, электромеханические, электродинамические.

Современные характеристики тяговых аккумуляторных батарей Традиционно в качестве одного из источников энергии на электромобилях используются аккумуляторные батареи. В настоящее время наибольшее распространение подучили лишь три типа батарей: свинцовые, никель-кадмиевые и натрий-серные. Сравнительные параметры аккумуляторов разного типа, представлены в табл. 2.1.

Свинцово-кислотные аккумуляторы применяются до сих пор, несмотря на то, что имеют большую массу и малую мощность. В кислотных батареях привлекает их надежность, низкая стоимость. Свинцовые батареи используются на таком известном электромобиле как Impact (GM). Масса батарей составляет 400 кг (40% от снаряженной массы), емкость 13,6 кВтч. При полной массе 1160 кг электромобиль на таких батареях имеет максимальный запас хода 200 км. Аналогичные батареи широко применяются и на мелкосерийных электромобилях: Optima Sun, Pingvin, Mini-el, Pingvin Tavria.

На втором по применяемости месте стоят щелочные никель-кадмиевые батареи. Они обладают большей плотностью энергии, мощностью и способностью создания больших токов, что является особенно привлекательным для электромобилей. При использовании никель-кадмиевых батарей мощность двигателя не отражается на запасе хода, имеются-определенные преимущества в возможности быстрой, зарядки батарей (15 мин). Однако эти батареи имеют существенные недостатки: высокий саморазряд и высокая стоимость. Кадмий, несмотря на все усилия по его утилизации, является экологически очень вредным веществом. Никель-кадмиевые батареи установлены на многие специальные и конвертированные электромобили, их использование на японском электромобиле IZA позволяет достигнуть величины запаса хода 548 км. Масса батарей 531 кг, что составляет 34% снаряженной массы электромобиля (1573 кт).

В последнее время, на электромобилях стали применяться натрий-серные батареи, время заряда которых составляет от 0,5 до 1 часа. Они имеют очень высокую плотность энергии, однако, в связи с высокой рабочей температурой (свыше 300С), требуются дополнительные затраты мощности, высокие расходы на изоляцию и управление. Натрий-серные батареи установлены на специальных электромобилях Е1 и Е2 фирмы BMW, масса батарей 200 кг, что составляет 22 % от снаряженной массы (900 кг) и при этом достигается запас хода 250 км на Е1, а на Е2 этот показатель еще выше - 430 км.

Исследуя глубину разряда вышеперечисленных аккумуляторов, можно сделать вывод, что наиболее устойчивыми параметрами обладают натриево-серные аккумуляторы.

Все другие типы батарей, такие как бром-цинковые, моносульфид железо-никелевые, находятся еще в стадии разработки и испытаний. У бром-цинковых батарей ожидается трехкратное увеличение плотности энергии по сравнению с кислотными, однако следует отметить, что бром относится к категории экологически вредных веществ. Большие надежды специалисты возлагают на литиевые батареи (Swing-батареи), разрабатываемые фирмой Varta. В, этих батареях ионы лития двигаются между анодом, выполненным из углерода, и катодом из оксидов переходных металлов. В основу работы батарей положен колебательный процесс, создающий» высокое напряжение ячеек - 3,5 В. Ожидается, что энергоемкость батареи будет сопоставима с энергоемкостью высокотемпературных натрий-серных батарей, но при этом не требуется высоких рабочих температур.

Технико-эксплутационные показатели электромобиля с комбинированной энергетической установкой

Тяговые системы электромобилей (ТСЭ) имеют, как правило, меньшие потери, чем системы с тепловыми двигателями, т.к. степень использования энергии батареи удается получить достаточно высокой за счет рациональной организации энергопреобразования при движении транспортных средств. Это обстоятельство имеет важное значение для оценки перспектив развития ТСЭ и обоснованного подхода к их созданию.

Так как условия эксплуатации электромобиля характеризуются циклическими изменениями режимов движения, то научную ценность представляет выявление затрат для динамических режимов. Сведение к минимуму таких затрат предлагается в работе осуществить оптимизацией совокупности взаимосвязей и процессов в электромобиле.

В основу исследования энергозатрат при циклическом1 движении электромобиля (ЭМ) положен метод баланса энергии, а для конкретизации расчетов предложена энергетическая диаграмма ТСЭ, которая помогает составлять в различных формах уравнения баланса энергии при циклическом движении для всего цикла и для отдельных его фаз.

Анализ диаграммы количественного распределения энергии при . движении ЭМ по стандартному испытательному циклу НАМИ показывает, что наиболее энергоемкими являются фазы разгона и торможения. Далее остановимся на рассмотрении последних.

В данной работе исследуется задача минимизации энергозатрат при разгоне ЭМ до заданной конечной скорости за фиксированное время. с учетом внутренних свойств батареи, реальных характеристик за фиксированное время, с учетом внутренних свойств батареи, реальных характеристик силовых агрегатов ТСЭ и параметров тяговой динамики ЭМ. Поставленная таким образом задача описывается известными соотношениями для тягового электропривода и батареи с использованием общих уравнений движения, которые позволили представить разнородные процессы в системе «дорога-колесо-двигатель-преобразователь-батарея» уравнениями энергетического баланса, приведенными к валу двигателя. Решение сформулированной многопараметрической задачи выполнено методами вариационного исчисления, а результаты представляют собой законы управления ЭМ по минимуму энергозатрат.

Для ЭМ с разными массами и одним и тем же коэффициентом аэродинамического сопротивления (0,45) были выполнены расчеты энергозатрат при переменном и оптимальном ускорениях.

Определение показателей эффективности ЭМ производится при моделировании движения по типовому испытательному циклу. При этом моделируется движение в течение одного цикла, а полученные при этом данные обобщаются на весь запас хода ЭМ. Чтобы учесть изменения параметров источников энергии в процессе движения, моделирование расчетного цикла производится для параметров КЭУ, соответствующих средней степени энергии каждого источника. рас Q где, ZH KZK - начальная и конечная степени заряженности, заданные в начальных условиях моделирования. Задаваясь значениями v ,Тр,Тт,Тс, имеем возможность проводить исследования ЭМ с КЭУ при различных типах испытательного цикла, а также изменяя N и Тп, варьировать законами движения при разгоне.

В дальнейшем исследуем на разработанной обобщенной математической модели влияние рассмотренной выше солнечной батареи на величину пробега электромобилей «Хонда», «Гном» (ВАЗ-1151) и «Ока» (ВАЗ-1111) по сравнению с питанием тягового электропривода от аккумуляторной батареи с учётом интегрального показателя запаса хода (L, км) транспортного средства от одного зарядно-разрядного цикла батареи. Следует отметить, что непрерывные заезды по циклу НАМИ-2 продолжались в среднем в течении 4,5 часов, то есть солнечная батарея использовалась практически половину времени интенсивной солнечной активности суток. Но даже это ограничение дало существенный рост запаса хода электромобилям.

Сравнительный анализ пробегов (п.З и п.4) при различных системах энергообеспечения ТАБ и КЭУ (ТАБ+СБ) и энергетики цикла (п.2 и п.4,а) показывает хорошую сходимость результатов (в пределах десятых процента).

Используя перспективные солнечные батареи с повышенными КПД, по результатам (п.4,б и в) можно констатировать, что величина пробега возрастает от 33% до 53% для различных электромобилей.

Компоновка источников энергии на ЭМ по массе и габаритам в основном определяют ТАБ и СБ. Поэтому по способу расположения ТАБ ЭМ могут быть: - с разделением ТАБ на левый и правый блоки; - с разделением ТАБ на передний и задний блоки; - с продольным центральным («хребтовым») расположением ТАБ; - с поперечным центральным расположением ТАБ в виде одного блока.

Компоновка и выбор способа установки ТАБ определяется типом ЭМ, назначением АБ и равномерным распределением массы по осям ЭМ.

Размещение ЕНЭ при конструировании ЭМ не вызывает особых трудностей из-за компактности и его небольшой массы. Главным критерием при этом являются доступность при обслуживании и равномерность распределения4 массы по шасси ЭМ. Особенно важно решение вопроса по размещению- СБ. на ЭМ. Здесь возможно большое количество вариантов, компоновки СБ на ЭМ, которые должны рассматриваться в каждом случае конкретно в зависимости от типа ЭМ.

Рассматривая КЭУ, состоящую из ТАБ, ЕНЭ и СБ, необходимо отметить, что при взаимодействии источников возникают два новых качества, которые проявляются в возможности аккумулирования энергии основного источника ТАБ в том случае, когда отдаваемая им мощность больше, чем реализуемая на ведущих колесах, а также возможности восстановления запаса энергии ТАБ и ЕНЭ за счет внешней электрической сети. Возможность практической реализации вышеперечисленных преимуществ зависит от типа ЭМ, структуры КЭУ, технических характеристик источников энергии, а также системы регулирования и управления.

Определение мощности энергостанции. Солнечная фотоэлектрическая станция

Под солнечной фотоэлектрической станцией понимается совокупность солнечных фотоэлектрических модулей с концентраторами излучения. Солнечный фотоэлектрический модуля - солнечные батареи с концентарторами излучения имеет сходство с гелиостатами, применяемыми в солнечных энергетических станциях башенного типа.

Мощность солнечной фотоэлектрической станции: N(t) = I(t) F пэк(0, кВт где: / - интенсивность прямой солнечной радиации на 1 м2 перпендикулярной лучам поверхности (кВт/ м ); F - полезная площадь линз приема излучения на фотоэлектрическом модуле (м); rj3K - эквивалентное значение КПД фотоэлектрического модуля.

Здесь в учтены потери энергии в линзах и межэлементных соединениях, а также потери, связанные с повышением температуры элементов, рассогласованием токов, преобразованием постоянного тока в переменный и т.п. Чэк = Пл Чэл (Т, v, 0 цдР, где: цэк - КПД преобразования солнечного излучения в электричество в фотоэлементах в зависимости от температуры Т и скорости ветра и; цл - КПД концентрации излучения линз; г}дР - КПД других звеньев.

Выработка электроэнергии солнечным фотоэлектрическим модулем определяется формулой: 3 = \N(t)dt, кВт/ч

Нужно отметить, что в данных актинометрических измерений на исследуемой станции чаще всего представлены не мгновенные значения интенсивности солнечной радиации, а сумма радиации за определенный интервал времени (час, сутки, месяц, год), поэтому выработка электроэнергии солнечным фотоэлектрическим модулем выражается формулой: 3(T)=I(T)Frj3K(T),KBm4 где: ЦТ) - интенсивность радиации за интервал времени Т, кВт ч/ м . Как отмечено выше, солнечная фотоэлектрическая станция - совокупность солнечных фотоэлектрических модулей, поэтому выработка электроэнергии на СЭС есть совокупность выработок энергии на модулях: Эсэс(Г)Лэ,(Г), (=1 Когда модули одинаковые (стандартные) по энергетическим показателям, то Эсэс(Т) = п Э(Т), где: п - число солнечных фотоэлектрических модулей на СЭС.

Группу совместно работающих и территориально совмещенных и территориально совмещенных ветроэнергетических установок принято называть ветроэлектрической станцией. Как известно, мощность ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения ветроколеса выражается формулой [ ]: N = 3,93 10 4pv3 D2 цр цг, кВт где: р - плотность воздуха, зависящая от его температуры и атмосферного давления, кг/ м ; р = 1,23 кг/ м" при нормальных условиях (t = 15 С, Р = 101,3 кПа); v - скорость воздушного потока, м/ с; D - диаметр ветрового колеса, м; -коэффициент использования энергии ветра; г\Р - КПД редуктора; г\г - КПД генератора.

Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина по Н.Е. Жуковскому равна 0,593. На практике для наиболее совершенных конструкций двух-трехлопастных ВЭУ можно принять = 0,44 в определенных благоприятных областях скорости ветра (конкретных для каждого агрегата). На рис. приведены характеристики зависимостей мощностей ветровой турбины и коэффициента использования ветра от скорости ветра на примере ветровой турбины номинальной мощностью 200 кВт с диаметром колеса в 38 м. Суммарный КПД ветрового агрегата ц - Цр Цг = 0,85. При скорости ветра меньше минимальной рабочей vmm ВЭУ не работают. При скорости ветра больше расчетной vp при которой развивается установленная мощность, угол поворота лопастей регулируется так, чтобы поддерживать постоянную мощность. Обычно vmin выбирается равной приблизительно vP, a vP несколько, больше средней годовой скорости vp. Оптимальное значение определяют путем расчета суммарной выработки энергии и удельных приведенных затрат, но чаще всего ьР = (1,4 - l,6)vr. Иногда для І зон, где усиливается влияние больших скоростей ветра- на годовую выработку, можно применять более высокие значения vp (до 2,5vf). Выше определенной скорости ветра, называемой максимальной рабочей скоростью vmax ВЭУ останавливается, чтобы избежать повреждений от ветра, имеющего буревые скорости. Таким образом, годовая, сезонная, и месячная выработка определяется выражением [ ] ЭЪвр = (NBm tm + Nm t, + NB2 h + - + NBp(vP)tp)T, кВт ч где: NBr мощность при минимальной рабочей vmin, кВт; NBi - мощность на валу ветродвигателя при скорости и,- зоне vmin Vj vp, кВт; NBp - мощность при расчетной скорости vp, кВт; /,- - соответствующие повторяемости скоростей ветра vp; tp - повторяемость скоростей ветра, равных и больших расчетной; Т -общее число часов в рассматриваемый период, год, месяц и сутки.

Похожие диссертации на Исследование влияния альтернативных источников энергии автомобиля на технико-экономические показатели