2.4. Образец выполнения расчетного задания №2

2.4.1. Исходные данные

1. Ландшафт местности (степень открытости флюгера) в исследуемой точке А - открытое побережье открытого (внешнего) моря, форма рельефа – плоская.

2. По наземной метеостанции-аналогу на высоте флюгера 10 м:

- многолетняя повторяемость скорости ветра (за 11-ий период времени) в виде диапазонов t(V) (см. табл.2.15);

- многолетняя повторяемость направлений ветра (роза ветра) по восьми основным направлениям (румбам) (см. табл.2.16);

- классы открытости по восьми направлениям по классификации Милевского (см. табл.2.17).

Таблица 2.15

Повторяемости скорости ветра t(V) на площадке МС на высоте 10 м

V, м/с	t (V), %
0-1	9,10
2-3	12,6
4-5	18,0
6-7	17,0
8-9	13,3
10-11	12,1
12-13	6,9
14-15	3,7
16-17	4,5
18-20	2,2
21-24	0,4
25-28	0,10
29-34	0,01
35-40 и >40	0

Таблица 2.16

Роза ветра t(NV) на площадке МС

Вариант	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
1	12	11	12	23	17	7	9	9

Таблица 2.17

Классы открытости по 8 румбам на площадке МС

Вариант	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
1	9	9	10	10	10	10	9	9

3. Среднегодовая температура воздуха и высота над уровнем моря h в точке А (см. табл. 2.18).

Таблица 2.18

Данные по температуре и высоте над уровнем моря h в точке А

Вариант	Среднегодовая температура воздуха, град.С	Высота над уровнем моря, м
1	-10	0

Плотность воздуха принимается в соответствии от средней температуры и высота над уровнем моря и равна 1,341 кг/м³ (см. табл.2.5).

3. Параметры ветроэлектрической установки Mitsubishi (см.табл.2.6-2.7).

2.4.2. Выполнение расчетной части

1) Рассчитать и построить многолетнюю повторяемость средних по градациям значений скорости ) и по ней определить среднемноголетнюю скорость и наиболее повторяемую скорость V_t. Сделать вывод о целесообразности использования ветровой энергии в заданной точке А

Расчет среднемноголетней скорости ветра производится по повторяемости скорости по средним градациям ) (см.рис.2.4) по формуле (2.2) (см.табл.2.19): =7,4 м/с. Поскольку в рассматриваемой точке А >5 м/с – хорошие условия для использования энергии ветра.

Как видно из таблицы 2.19 и рисунка 2.4 наиболее повторяемая скорость V_t=4,5 м/с.

Рис. 2.4. Повторяемость средних по градациям значений скорости )

2) Рассчитать и представить графически кривую обеспеченности заданных диапазонов скорости ветра P(V)

Расчет P(V) произведен формуле (2.3) (см.табл.2.20) и представлен на рисунке 2.5.

Рис. 2.5. Кривая обеспеченности скорости ветра P(V)

Таблица 2.19

Расчет

, м/с	0,75	2,5	4,5	6,5	8,5	10,5	12,5	14,5	16,5	19	22,5	26,5	31,5
t ( ), %	9,1	12,6	18	17	13,3	12,1	6,9	3,7	4,5	2,29	0,4	0,1	0,01
, м/с	0,068	0,32	0,81	1,1	1,13	1,27	0,86	0,54	0,74	0,43	0,09	0,027	0,003

Таблица 2.20

Расчет P(V)

, м/с	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	21	25	29	35
t ( ), %	9,1	12,6	18	17	13,3	12,1	6,9	3,7	4,5	2,29	0,4	0,1	0,01	0
P ( ),%	100,0	90,9	78,3	60,3	43,3	30,0	17,9	11,0	7,3	2,8	0,5	0,1	0,01	0,0

2. Постройте (представьте графически) розу ветра и сделайте вывод о преобладающем направлении ветра в исследуемой точке А

По заданным исходным данным представим графически годовую розу ветров (см. рис.2.6).

Рис.2.6. Роза ветра в географической точке А

В соответствии с принятым допущением: если по одному из направлений повторяемость больше 20%, то это направление принимаем как преобладающее, получим что в рассматриваемой точке А преобладают ветры Ю-В направления.

2. Определите: среднеквадратичное отклонение скорости ветра и коэффициент вариации C_v.

Среднеквадратичное отклонение значений скорости ветра _v (м/с) определяется по повторяемости скорости ветра по формуле:

.

Промежуточные результаты расчета сведены в таблицу 2.21. Коэффициент вариации С_v (о.е.) определяется по формуле:

= 4,6/7,4 = 0,63.

Таблица 2.21

Расчет _v

t ( ), %	, м/с	, (м/с)2
9,10	0,75	4,02
12,60	2,50	3,02
18,00	4,50	1,51
17,00	6,50	0,14
13,30	8,50	0,16
12,10	10,50	1,17
6,90	12,50	1,80
3,70	14,50	1,87
4,50	16,50	3,73
2,29	19,00	3,08
0,40	22,50	0,91
0,10	26,50	0,36
0,01	31,50	0,06
0,00	42,00	0,00
Сумма		21,83

2. Определите среднемноголетнюю скорость ветра в точке А по данным МС-аналога

Определим класс открытости в точке А - для открытого побережья открытого (внешнего) моря, форма рельефа – плоская - K_А = 11. Общий класс открытости МС-аналога – K_МС рассчитывается:

.

Все промежуточные значения расчета приведены в таблице 2.22.

Таблица 2.22

Румб – NVi	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
t(NV), %	12	11	12	23	17	7	9	9
,	9	9	10	10	10	10	9	9
/100	1,08	0,99	1,2	2,3	1,7	0,7	0,81	0,81

Поправочный коэффициент на рельеф местности :

.

Среднемноголетняя скорость ветра в точке А осуществляется по данным МС-аналога с помощью :

.

6) На высоте 10 м в точке А оцените: валовую годовую удельную энергию ветрового потока Э_уд, кВт.ч/м²; среднегодовую удельную валовую мощность ветрового потока N^уд, Вт/м²

Расчет Э_уд производится по формуле (2.10) и представлен в таблице 2.23.

Таблица 2.23

, м/с	t ( ), %	Nудj, Вт	, кВтч/м2
0,75	9,1	0,282867	0,23
2,50	12,6	10,47656	11,56
4,50	18	61,09931	96,34
6,50	17	184,1361	274,22
8,50	13,3	411,7708	479,75
10,50	12,1	776,1876	822,73
12,50	6,9	1309,57	791,56
14,50	3,7	2044,103	662,53
16,50	4,5	3011,97	1187,32
19,00	2,29	4598,96	922,57
22,50	0,4	7637,414	267,61
26,50	0,1	12477,75	109,31
31,50	0,01	20957,06	18,36
36,00	0	31282,85	0,00
Эуд,				5644,08

Среднемноголетняя удельная мощность ветрового потока на площадке МС на высоте 10 м:

.

Поскольку в рассматриваемой точке А >400 Вт/м² – хорошие условия для использования энергии ветра на площадке МС.

В рассматриваемой точке А среднемноголетняя удельная мощность ветрового потока и валовая энергия на высоте 10 м будет определена по данным МС-аналога с помощью поправочного коэффициента на рельеф :

.

7. Рассчитать и представить графически вертикальный 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.

Оценим 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.

Найдем значение параметра m по эмпирической зависимости для данного региона:

m=0,6 ( ^А)^-0.77=0,6 (8,5)^-0.77=0,12.

По формуле (2.5) осуществим расчет изменения среднемноголетней скорости ветра по высоте от 10 м до 200 м для двух значений m=0,12 и 0,14. Результаты расчета сведены в таблицу 2.24 и представлены на рисунке 2.7.

Таблица 2.24

Изменение ^А по высоте

m	Высота, м
	10	30	50	80	100	200
0,14	8,48	9,89	10,63	11,35	11,71	12,90
0,12	8,48	9,63	10,22	10,79	11,07	12,00

Рис.2.7. Изменение ^А по высоте

Вывод: В данном случае происходит завышение скорости ветра по высоте (около 8%), определенном при m=0,14 по сравнению с фактическими данными при m=0,12.

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

Расчет среднемноголетней скорости ветра на высоту башни ВЭУ V₀^Нб по формуле (2.5):

V₀^Нб = ^А ( Н_б/10) ^m=8,5( 34/10) ^0,12=9,8 м/с.

Расчет теоретической повторяемости скорости ветра по формуле Вейбулла t^В (V) проводится по формуле (2.6) (см.табл.2.25), предварительно были определены:

- параметр определяется по формуле (2.7): = С_V^–1,069=0,63^–1,069=1,634;

- параметр  определяется по формуле (2.8):

 = =9,8/0,895=10,92,

где

Таблица 2.25

Расчет t^В(V) на высоте 34 м в условиях точки А

, м/с	0,8	2,5	4,5	6,5	8,5	10,5	12,5	14,5	16,5	19,0	22,5	26,5	31,5	36,0
tB( ) , %	4,1	10,7	13,5	14,0	13,1	11,4	9,4	7,3	5,5	5,4	2,9	1,5	1,0	0,2

Расчет валовой годовой удельной энергии ветрового потока , кВт.ч/м² производится по формуле (2.4) по t ^B(V_.). Все расчеты сводим в таблицу 2.26.

Таблица 2.26

Расчет ( ) на высоте Н_б в точке А

, м/с	tB( ) , %	, кВт/м2	( ), кВтч/м2 в год
0,75	4,1	0,3	0,1
2,50	10,7	9,6	9,0
4,50	13,5	55,9	66,0
6,50	14,0	168,3	206,9
8,50	13,1	376,5	433,4
10,50	11,4	709,6	710,3
12,50	9,4	1197,3	982,5
14,50	7,3	1868,8	1196,6
16,50	5,5	2753,7	1317,1
19,00	5,4	4204,6	1983,2
22,50	2,9	6982,5	1669,7
26,50	1,5	11407,7	1486,2
31,50	1,0	19159,9	867,9
36,00	0,2	28600,1	427,1
	100,0	0,0	0,0
		0,0	0,0
ЭудНб,			11356,09

Среднемноголетняя удельная мощность ветрового потока на площадке МС может быть определена по формуле:

По данным таблицы 2.26 построена зависимость Э_уд( ) (см.рис.2.8) и определена наиболее энергетическая скорость ветраV_е, соответствующая 19 м/с.

Рис. 2.8. Э_уд( )

Кривая обеспеченности P^Нб(V) рассчитывается по t^В(V) (формула (2.3)) и приводится в таблице 2.27.

Таблица 2.27

, м/с	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	21	25	29	35	40
P ( ),%	100,0	95,9	85,2	71,7	57,7	44,5	33,1	23,7	16,4	11,0	5,6	2,7	1,2	0,2	0

9. Для заданного типа ВЭУ определить основные энергетические характеристики ВЭУ

Ометаемая площадь ветроколеса для «крыльчатых» ВЭУ определяется по формуле (2.18):

F_ом=( D)²/4=( 28)²/4=623,3 м².

Годовая выработка ВЭУ за период времени Т (1 год или 8760 ч) определяется по формуле (2.19). Промежуточные результаты расчета сведены в таблице 2.28.

Таблица 2.28

Расчет на высоте Н_б в точке А

, м/с	tB( ) , %	NВЭУ( ), кВт	, кВтч в год
0,75	4,1	0	0,0
2,5	10,7	0	0,0
4,5	13,5	4,5	5 316,9
6,5	14,0	33	40 566,6
8,5	13,1	94	108 215,0
10,5	11,4	168,5	168 658,0
12,5	9,4	247	202 696,7
14,5	7,3	293,5	187 925,2
16,5	5,5	300	143 491,1
19	5,4	300	141 500,8
22,5	2,9	300	76 212,0
26,5	1,5	0	0,0
31,5	1,0	0	0,0
36	0,2	0	0,0
	100	0	0,0

Просуммировав значения , получили =1 074 580 кВтч в год.

Время простоя Т_прос ВЭУ можно рассчитать по формуле (2.21):

Т_прос = (100– 85,2 + 2,7)*8760=1533 ч.

Учитывая, что Т_прос+Т_раб =Т=8760 ч найдем время работы ветроустановки Т_раб.: Т_раб=8760-1533=7227 ч.

Коэффициент использования установленной мощности ВЭУ К_иум за период Т, ед. определяется по формуле (2.22):

К_иум=1074580/(3008760)=0,41.

9. 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 в радиусе точки А с площади 1 км² в год по формуле (2.23) составит:

Э^вал (Т) =1/20 11356,09 110⁶=567,810⁶ кВтч в год.

В точке расположения точки А преобладает Ю-В направление ветра, поэтому на площади 1 км² примем размещение ВЭУ рядами на расстоянии kD=10D, а вдоль преобладающего направления ветра nD=6D. В этом случае площадь поверхности земли по формуле (27),необходимая для размещения одной ВЭУ, равна S₁ =39200 м², т.е. на площади 1 км² можно будет установить 25 ВЭУ, годовая выработка от которых составит:

Э^тех  Z_ВЭУ  ₁  ₂  ₃  Э_ВЭУ(Т)= 25  1  0,95  0,97  1 074 580 = = 24,755567,810⁶ кВтч в год.