2.3.2. Часть 2. Расчет технических ветроэнергетических ресурсов в точке а

7) Рассчитать и представить графически высотный профиль среднемноголетней скорости ветра V₀^А на высотах h=10, 30, 50, 80, 100, 200 м) в заданной точке A по степенной зависимости двумя методами: среднестатистический в зарубежных методиках - m=0,14 и эмпирической зависимости для данного региона - m=0,6 ( ^А)^-0.77. Сделайте вывод о влиянии метода расчета показателя m на вертикальный профиль ветра.

В околоземном слое на изменение скорости ветра в рассматриваемой точке А влияет множество факторов: рельеф местности, наличие водных поверхностей, строений и т.д., а также высота от поверхности Земли. Методика определения скорости ветра для разной высоты над уровнем земли базируется на наиболее достоверной и распространенной модели поведения скорости ветра при изменении высоты над поверхностью земли в виде эмпирической зависимости:

, (2.14)

где и – скорость ветра на высоте и соответственно; m – показатель степени, зависящий от скорости ветра, рельефа местности, стратификации атмосферы и т.д. Достоверность степенной зависимости определяется выбором методики расчета показателя степени m. В отечественных и зарубежных исследованиях отсутствует единая методика его определения. Предлагается оценить влияние параметра m на точность определения среднемноголетней скорости ветра по высоте m, сравнив значения среднемноголетней скорости при m=0,14 (зарубежные среднестатистические данные) по отношению при - m=0,6 ( ^А)^-0.77- эмпирическая зависимость для данного региона.

8) На высоте башни ВЭУ рассчитать ветроэнергетический кадастр в заданной географической точке А

Расчет среднемноголетней скорости ветра на высоту башни ВЭУ V₀^Нб производится по формуле (2.14), где показатель степени m определяется по формуле m=0,6 ( )^-0.77.

Математическое выражение двухпараметрического распределения Вейбулла имеет вид:

t ^B(V_.) =V _j    , (2.15)

где V= и V_j –интервал j–ой градации соответствуют стандартным значениям (см.табл.2. 8; γ и  – параметры функции распределения Вейбулла, параметр γ (в о.е.) определяет форму рассматриваемой кривой распределения, а параметр  (в м/с) – масштабный параметр скорости.

Функция Вейбулла t^В(V) хорошо аппроксимирует одномодальную фактическую повторяемость скорости ветра t(V) в диапазоне скорости от 5 м/с до 20 м/с.

Параметр γ определяется по эмпирической формуле Л.Б. Гарцмана, известной в зарубежных источниках, как формула Justus (1978), и справедливая для 1,0≤γ≤10,0:

= С_V^–1,069, (2.16)

где С_V, о.е. – коэффициент вариации скорости ветра. Принимаем допущение, что С_V по высоте не меняется.

Параметр  определяется по формуле:

 = , (2.17)

где Г(х) –гамма–функция может быть определена по таблице 2.12.

Таблица 2.12

Значения Г(1+ ) ( в о.е.) при 1,0 < (1+ ) < 2,0

1+	Г(1+ )	1+	Г(1+ )	1+	Г(1+ )	1+	Г(1+ )
1,00	1,00000	1,26	0,90440	1,52	0,88704	1,78	0,92623
1,01	0,99433	1,27	0,90250	1,53	0,88757	1,79	0,92877
1,02	0,98884	1,28	0,90072	1,54	0,88818	1,80	0,93138
1,03	0,98355	1,29	0,89904	1,55	0,88887	1,81	0,93408
1,04	0,97844	1,30	0,89747	1,56	0,88964	1,82	0,93685
1,05	0,97350	1,31	0,89600	1,57	0,89049	1,83	0,93969
1,06	0,96874	1,32	0,89464	1,58	0,89142	1,84	0,94261
1,07	0,96415	1,33	0,89338	1,59	0,89243	1,85	0,94561
1,08	0,95973	1,34	0,89222	1,60	0,89352	1,86	0,94869
1,09	0,95546	1,35	0,89115	1,61	0,89468	1,87	0,95184
1,10	0,95135	1,36	0,89018	1,62	0,89592	1,88	0,95507
1,11	0,94740	1,37	0,88931	1,63	0,89724	1,89	0,95838
1,12	0,94359	1,38	0,88854	1,64	0,89864	1,90	0,96177
1,13	0,93993	1,39	0,88785	1,65	0,90012	1,91	0,96523
1,14	0,93642	1,40	0,88726	1,66	0,90167	1,92	0,96877
1,15	0,93304	1,41	0,88676	1,67	0,90330	1,93	0,97240
1,16	0,92980	1,42	0,88636	1,68	0,90500	1,94	0,97610
1,17	0,92670	1,43	0,88604	1,69	0,90688	1,95	0,97988
1,18	0,92373	1,44	0,88581	1,70	0,90864	1,96	0,98374
1,19	0,92089	1,45	0,88566	1,71	0,91057	1,97	0,98768
1,20	0,91817	1,46	0,88560	1,72	0,91258	1,98	0,99171
1,21	0,91558	1,47	0,88563	1,73	0,91467	1,99	0,99581
1,22	0,91311	1,48	0,88575	1,74	0,91683	2,00	1,00000
1,23	0,91075	1,49	0,88595	1,75	0,91906
1,24	0,90852	1,50	0,88623	1,76	0,92137
1,25	0,90640	1,51	0,88659	1,77	0,92376

Все расчеты t^В(V)сводим в таблицу 2.13.

Расчет валовой годовой удельной энергии ветрового потока , кВт.ч/м²; среднегодовой удельной валовой мощность ветрового потока , Вт/м² производится по формулам (2.10)-(2.11) по t ^B(V). Все расчеты Э_уд^Нб сводим в таблицу 2.13.

Наиболее энергетическая скорость ветра V_е определяется по характеристике Э_уд( ) и соответствует скорости при которой Э_уд максимальна (см.рис.2.3).

Кривая обеспеченности на высоте башни ВЭУ P^Нб(V) рассчитывается по t^В(V) (формула (2.3)) и приводится в таблице, аналогичной таблице 2.10.

Таблица 2.13

Расчет t^В(V) и ( ) на высоте Н_б в точке А

, м/с	tB( ) , %	, кВт/м2	( ), кВтч/м2 в год
0,75
….
31,5
ЭудНб,

Рис. 2.3 – t(V) и Э_уд(V)

7. Для заданного типа ВЭУ определить основные энергетические характеристики ВЭУ

Ометаемая площадь ветроколеса для «крыльчатых» ВЭУ F_ом не зависит от количества лопастей и определяется по формуле:

F_ом=( D)²/4, (2.18)

где D – диаметр ветроколеса.

Годовая выработка ВЭУ за период времени Т (1 год или 8760 ч) определяется по формуле:

, (2.19)

где - мощность ВЭУ, определяемая для каждого значения по энергетической характеристике ВЭУ N_ВЭУ(V) следующим образом:

0 при ≤ V_min или > V_max;

N_ВЭУ( ) при V_min < < V_p;

N_ВЭУi( ) = N_уст при V_p ≤ ≤ V_max для ВЭУ с φ^о = var (2.20)

или

N_ВЭУ( ) ≤ N_уст для ВЭУ с φ^о = const.

Все расчеты сводятся в таблицу 2.14.

Таблица 2.14

Расчет на высоте Н_б в точке А

, м/с	0,75	….	16,5	….	22,5	31,5	36,75
tB( ) , %
NВЭУ( ), кВт
, кВтч в год

Годовое число часов работы и простоя ВЭУ определяем по кривой обеспеченности P^Нб(V), учитывая что ВЭУ работает в диапазоне значений скорости ветра от V_min до V_max. Тогда время простоя Т_прос ВЭУ можно рассчитать по формуле:

Т_прос = P^Нб(V=0)– (P^Нб(V= V_min) + P^Нб(V =V_max)). (2.21)

Коэффициент использования установленной мощности ВЭУ К_иум за период Т, ед. определяется по формуле:

К_иум = Э_ВЭУ/(N_устТ). (2.22)

7. Оценить валовой Э^вал и технический потенциал Э^тех на высоте башни ВЭУ с S=1 км² за год с учетом розы ветров

Валовой потенциал ветроэнергетики территории с площади S (км²) рассчитывается обычно при условии, что все ВЭУ размещены друг от друга на расстоянии в 20Н_б по формуле, кВтч в год:

Э^вал (Т) =1/20 Э_уд^Нб S. (2.23)

Технический потенциал ветроэнергетики Э^тех с площади S (км²) - энергия, которая вырабатывается ветроэнергетической станцией (ВЭС) с количеством агрегатов Z_ВЭУ и определятся выражением, кВтч:

Э^тех  Z_ВЭУ₁₂₃Э_ВЭУ(Т), (2.24)

где Э_ВЭУ– энергия вырабатываемая единичной ВЭУ; Z_ВЭУ, ед.– количество ВЭУ; ₁,₂,₃, ед.– соответственно коэффициенты потерь энергии ВЭС на взаимное влияние ВЭУ (аэродинамические потери) (0,7–1,0), технический простой ВЭУ вызванный поломкой ветроагрегата (0,95), потребление энергии на собственные нужды ВЭС (0,97). В данном расчетном задании потери на технический простой и собственные нужды не учитываем, т.е. ₂=₃=1.

Параметры Z_ВЭУ и ₁ тесно связаны между собой, особенно если площадь земли, на которой необходимо разместить ВЭУ ограничена. Очевидно, что чем ближе расположены ВЭУ друг от друга, тем большее аэродинамическое влияния они оказывают друг на друга. Для исключения взаимного влияния ВЭУ, необходимо располагать их на расстоянии k диаметров ВК друг от друга (обычно k=10).

В зависимости от розы ветров ВЭУ можно располагать:

1. При равномерной розе ветров рядами на одинаковом расстоянии kD друг от друга или в шахматном порядке. В этом случае площадь поверхности земли необходимая для размещения одной ВЭУ равна S₁ и определяется при размещении рядами по формуле:

S₁ = (kD)², (2.25)

а при размещении в шахматном порядке по формуле:

S₁ = (kD)² . (2.26)

Шахматное расположение ВЭУ, при одной и той же площади, увеличит на 15% количество установок по сравнению с расположением ВЭУ рядами.

2. Размещение с учетом преобладающего направления ветра, то то целесообразно увеличить количество ВЭУ путем уменьшения расстояния, перпендикулярно преобладающему направлению ветра, между ВЭУ до nD (n=6-8). В данном случае выражение для определения S₁ будет следующим:

S₁ = knD_ВК² (2.27)

Таким образом, определив площадь поверхности земли необходимой для размещений одной ВЭУ S₁, определим количество ВЭУ для размещения на площади S по формуле:

Z_ВЭУ = S/S_1. (2.28)