Методика расчета валового ресурса (потенциала).

Для оценки потенциальных возможностей региона в работе используется и развиваются существующие принципы использования ветра.

Первым общепринятым в современных научных разработках принципом является использование энергии ветра на ветроэнергетических системах установок с определенной высотой Н над поверхностью Земли. В соответствии с определением, Валовый потенциал рассчитывается как суммарная энергия воздушных масс, использование которой возможно современными ветроэлектрическими установками (ВЭУ) с максимально большой высотой оголовка ветротурбины h.На современных ветроустановках мощностью 750кВт высота оголовка составляет 60-80м, а диаметр ветроколеса 50-80м. Серийными установками стали ВЭУ мощностью 1000-2000 кВт с еще большими высотами башен и диаметром ветроколеса. Поэтому в данной работе h=75м; при этом толщина используемого слоя воздушных потоков Н составляет примерно в два раза большую величину, т.е. 150 м.

Вторым принципом, принятым на основании имеющихся исследований, является утверждение, что при обтекании воздушными потоками препятствия («воздушной плотины») высотой Н возмущенный поток полностью восстанавливается на расстоянии 20Н после препятствия.

На основании изложенных принципов устанавливается, что максимально полное использование энергии ветра осуществляется ветроэнергетической системой «воздушных плотин» высотой Н, ориентированных перпендикулярно направлению ветра и отстоящих друг от друга на расстоянии 20Н, так что полная ветровая энергия, захватываемая установками по площади территории S, м² в год представляет валовый потенциал территории W_n,Вт∙ч/м³ год), который при удельной энергии ветра Е_в, Вт∙ч/(м² год), равен:

(2.1)

Где м³ ; T=8700 – число часов в году; S – площадь территории, м²; n_i – среднемноголетняя скорость ветра в диапазоне [i]; t_i – вероятность нахождения скорости в диапазоне [i].

Получается, казалось бы, парадоксальный результат: валовый потенциал не зависит от высоты приземного слоя. Но весь вопрос в том, какую скорость необходимо взять для расчета валового потенциала. Вообще говоря, следует учесть профиль скорости ветра на высоте от 0 до H. В первом приближении следует рассчитывать скорость ветра по высоте, определить среднее значение и по этому значению определить необходимые для расчета v_i и t_i.

Однако для оценочных расчетов, которые представляют определение валового потенциала с достаточной точностью можно принять скорость ветра, равной скорости ветра на высоте h, составляющей примерно Н.

Технический ресурс (потенциал) ветровой энергии. Определение.

Исходя из общего определения технического потенциала возобновляемых источников энергии, а также отмеченной выше специфики использования ветровой энергии, можно сформулировать следующее определение.

Технический ресурс (потенциал) ветровой энергии региона – это часть валового потенциала ветровой энергии, которая может быть использована при современном уровне развития технических средств и соблюдения экологических норм.

Технический потенциал региона представляет сумму технических потенциалов составляющих его зон.

Методика расчета технического ресурса (потенциала).

Одним из основных параметров технического потенциала зоны представляет площадь территории S,м², которая по хозяйственным и экологическим соображениям представляется целесообразным для использования ветровой энергии; она равна части q общей площади S остающейся после вычитания площадей парков, сельскохозяйственных угодий, промышленных и водохозяйственных территорий, жилых, медицинских культурных строений, с учетом возможности расположения ВЭУ в лесных массивах, на отдельных побережьях, в акваториях морей и океанов и др.

(2.2)

Значение q является специфической для каждой зоны, причем в настоящей работе приняты следующие положения:

• Утилизация ветровой энергии целесообразна в районах, где среднегодовая скорость ветра на уровне флюгера не ниже 5м/с, или, в соответствии с более точным подходом, коэффициент установки мощностью более 100кВт оказывается порядка 18…20%;

• В указанных районах для развития ветроэнергетики может быть использовано не более 100% территории;

• Наиболее эффективной является утилизация ветровой энергии с помощью ветроэнергетических установок большой мощности (от 100 до 2000кВт).

В Казахстане площадь регионов со среднегодовой скоростью ветра свыше 5м/с составляет около 20% её территории. Таким образом, для Казахстана получаем среднюю оценку q 0,02, которая для разных субъектов Казахстана различается значительно.

В работе, исходя из анализа воздействия ветроэнергетических установок, выражающийся как максимально достижимая мощность в зависимости от скорости ветра, а также порядок размещения ветроэлектрических установок для максимального использования ветрового потока.

Выражение для средней мощности ветроэлектрической установки приобретает вид:

(2.3)

(2.4)

где: – коэффициент использования ветра; - механический КПД ВЭУ, – электрический КПД ВЭУ.

Как и при определении валового потенциала, для оценочных расчетов, с достаточной точностью можно принять скорость ветра постоянной по всей площади ветроколеса и равной скорости ветра на высоте оголовка h.

Порядок размещение ветроэлектричеких установок для максимального использования ветрового потока, в общем случае, зависит от розы ветров на местности. Вопрос состоит в том, как часто можно располагать ветроагрегаты.

В некоторых источниках рекомендуется на основании экспериментов в аэродинамической трубе размещать агрегаты на расстоянии, равном 10…15 диаметрам ветроколеса.

В других источниках рекомендуемое расстояние между ветроагрегатами равно 6…18. В практике проектирования зарубежных ветростанций, когда ветер изменяется по направлениям равномерно или близко к равномерному, расстоянию между ветроагрегатами принимается равным 10D.

На основании выше сказанного для определения технического потенциала принимается расстояние, равное 10D. Тогда на условной прямоугольной площадке S=a b, можно разместить n агрегатов:

(2.5)

Так что энергия, вырабатываемая в течение года (Т=8760-ч/год) всеми установками на площади S_т, (т.е. технический потенциал ветровой энергии W_т, Вт ч/год), оказывается равной:

(2.6)

При подстановке в (2.6) значение мощности (N) по (2.4) окажется, что технический потенциал в явном виде зависит только от средней скорости ветра и ее распределения.

Однако, учитывая, что скорость ветра принимаемая в указанных формулах, зависит от высоты, а высота башни выбирается в зависимости от мощности (диаметра ветроколеса), то следует признать зависимость технического потенциала от мощности ВЭУ.

Представляет интерес определить в первом приближении соотношение между техническим и валовым потенциалом. Условно принимаемая в (2.4) постоянным КПД ветроагрегата, получаем формулу технического потенциала W_т (Вт ч):

(2.7)

Разделив (2.7) на (2.2), получаем

(2.8)

Условно принимая η 0,3, с учетом S_т=0,02S, (π=3,14), получаем

Т.е. технический потенциал, по крайней мере, в 100 раз меньше валового потенциала. Но это, в среднем, при принятых допущениях.