В первоначальном проекте предполагалось создать одну большую (90 м в диаметре, мощностью 200 МВт) турбину с двенадцатью лопастями, выполненными из легкого металлического сплава, с пропеллером, установленным горизонтально в основании башни. Однако, такой турбины пока не существует, но есть готовые турбины меньшего размера. Поэтому первая электростанция такого типа будет использовать 32 турбины по 6,5 МВт, установленные вертикально в области перехода, где коллектор соединяется с башней.

2.2. Параметры ветрового потока

Ветер представляет собой случайный неуправляемый природный процесс, вызванный взаимодействием Солнца и Земли. Характерные особенности ветра как источника энергии заключаются в его непостоянстве. Кинетическая энергия ветрового потока изменяется в больших пределах даже в течение относительно небольших промежутков времени, поэтому мощность, развиваемая ветроэнергетической установкой, не является постоянной.

Для повышения эффективности использования энергии ветра в определенном районе важно, чтобы скорости ветра различных градаций были более равномерно распределены на протяжении всего года, а вероятность буревых скоростей ветра была бы минимальной. Использовать буревые ветры обычно не выгодно, так как они повторяются относительно редко. Считается, что использование ВЭУ является экономически выгодным, где средняя скорость ветра превышает определенную величину, а кривая распределения дает наиболее частую повторяемость скоростей в пределах 4– 10 м/с [8].

Ветроэнергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50–70 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, как отмечалось выше, является его скорость. Для определения скорости необходимо использовать данные ветрового кадаст-

ра [9].

Ветровой кадастр (Windcadaster), в соответствии с ГОСТ Р 51237-98 «Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Термины и определения» [4] – это систематизированный свод сведений, характеризующий ветровые условия местности, составляемый периодически или путем непрерывных наблюдений и дающий возможность количественной оценки энергии ветра и расчета ожидаемой выработки электроэнергии ветроэнергетическими установками.

Сведения о повторяемости мгновенных и средних скоростей ветра, длительности возможных затиший представляют в виде статистических

36

закономерностей, а также в табличной или графической форме, пользуясь для этого материалами многолетних наблюдений на метеостанциях, публикуемыми в справочниках по климату СССР и России, а также данными специальных анеморазведок. Данные ветроэнергетического кадастра служат основой расчётов, проводимых в ветроэнергетике [8,10,11]. Для наиболее полного математического описания изменений интенсивности ветра во времени пользуются моделью случайного процесса, учитывающей как тенденции сезонной изменчивости общего уровня скоростей ветра, так и их случайные вариации [10].

Все процессы, напрямую связанные с использованием текущего значения скорости ветра, в частности производство электроэнергии ВЭУ, имеют сложный, случайный характер. Их характеристики обладают статистическим разбросом и неопределенностью средних ожидаемых значений. Поэтому на современном уровне исследований задача их оценки формулируется в виде вероятностного описания случайного процесса посредством разбиения всего временного процесса на отдельные временные интервалы, в пределах каждого из которых можно использовать приближение стационарности, т. е. независимости всех определяемых параметров от времени .

Для систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе и используется ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

–среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;

–повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

–максимальная скорость ветра;

–удельная мощность и удельная энергия ветра;

–ветроэнергетические ресурсы региона.

Основным источником исходных данных для разработки ветроэнергетического кадастра являются наблюдения ветровых характеристик на опорной сети метеорологических станций. Например, для оценки ветроэнергетического потенциала Таймыра использовались данные метеорологических станций, расположенных на территории Таймыра [10].

2.2.1. Средние скорости ветра

Опорная сеть гидрометеорологической службы систематически ведет наблюдения за скоростью ветра. Полученные данные являются основой для расчета кадастровых характеристик ветра [12].Проведенный анализ [8,12] позволил сделать вывод, что с учетом возможных вариаций среднегодовой скорости ветра от года к году вполне можно ограничиться 10-летним рядом наблюдений.

37

пригодна при h>>h0, т. е. для строительства ВЭУ предпочтительной является местность с отсутствием прилежащих вышестоящих гор, высоких деревьев и т. д. Для простоты расчета изменение коэффициента возрастания средней скорости ветра с высотой представлено в табл. 2.3.

Таблица 2.3 Коэффициент возрастания средней скорости ветра с высотой

Как видно из представленной таблицы, на высоте 60–80 метров средняя скорость ветра возрастает почти в 1,5 раза. ВЭУ большой мощности с высокой башней будет на много более производительной, чем ВЭУ малой мощности, расположенная на высоте флюгера 10–14 метров. Поэтому при оценке производительности различных ВЭУ, учитывается высота башни ВЭУ.

2.2.3. Характеристики ветроэнергетического потенциала

Ветровой потенциал – это полная энергия ветрового потока какойлибо местности на определенной высоте над поверхностью земли.

Валовой потенциал, согласно ГОСТ Р 51237-98, это энергетический эквивалент ветрового потока какой-либо местности на определенной высоте над поверхностью земли.

Средняя удельная мощность потока ветровой энергии (Рср, кВт/м2) равна энергии, переносимой ветром в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной скорости ветра. Для стационарного потока воздуха удельная мощность равна [5]:

где ρ – плотность воздуха; v–скорость ветра.

При использовании экспериментальных повторяемостей скоростей

vi,

средняя удельная мощность выражается по формуле

i 1

40

где pi – вероятность скорости ветра vi на исследуемом промежутке времени. При оценке распределения скоростей ветра выполняется условие

Математическое ожидание среднегодовой удельной энергии ветра определяется по выражениям

Валовой потенциал энергии ветра определяется как суммарная энергия ветра, которая может быть использована системой ветроэлектрических установок высотой h. На основании имеющихся исследований обтекания препятствий воздушными потоками принимается условие, что возмущенный поток полностью восстанавливается на расстоянии, равном 20h от каждой установки. Таким образом, полное использование энергии ветра на высоте h осуществляется ветроэнергетической системой, в которой ряды ветроэнергетических установок, ориентированных перпендикулярно направлению ветра, отстоят друг от друга на расстоянии 20h. Полная энер-

Для распределения Вейбулла формула определения валового потенциала энергии ветра имеет вид

k

При определении валового потенциала энергии ветра площадь территорий Таймыра условно делилась на 4 части по местам расположения метеостанций поселков Диксон, Волочанка и Хатанга, а также метеостанции на острове Правды.

Различие между численными значениям по формулам (2.12) и (2.13) служит оценкой погрешности измерений и методики расчета валового потенциала ветровой энергии. Ветроэнергетические характеристики в диапазоне рабочих скоростей ветра (4–25 м/с) в населенных пунктах Таймыра, где установлены метеостанции [9], приведены в табл. 2.4.

Возможная энергия ветра зависит от шероховатости поверхности в месте установки ВЭУ, в том числе от сооружений, деревьев, ветродвигателей и других препятствий. Существенное влияние на работу ВЭУ оказывают поджатие и ускорение ветрового потока, проходящего над возвышенностями. Условия, желательные для места установки ВЭУ, следующие: большая среднегодовая скорость ветра; отсутствие высоких препятствий с подветренной стороны и на расстоянии, которое определяется высотой препятствия; плоская вершина; выравнивающая возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнине или островах озер или морей; открытые равнины или побережье. Большинство населенных пунктов Таймыра в той или иной степени удовлетворяет этим условиям.

Опыт эксплуатации ВЭУ показывает, что для улучшения качества электроснабжения потребителей, ВЭУ лучше совмещать с другими независимыми источниками энергии. В небольших системах, это, как правило, ДЭС. Например, в населенных пунктах Таймыра уже установлены дизельные агрегаты, поэтому рационально к существующей дизельной системе добавлять ветрогенераторы. Совместная работа ВЭУ с ДЭС приведет к существенной экономии топлива. Вопросы совместного функционирова-

42

ния ВЭУ с ДЭС и другими видами электростанций рассмотрены в [10 и

др.].

Существенным преимуществом ВЭУ является то, что ветростанции способны работать совместно с ДЭС, замещая полностью или частично введенные в эксплуатацию мощности ДЭС. Обычно ДЭС состоят из нескольких дизель-генераторов. Непостоянство выработки электрической энергии ВЭУ, обусловленное постоянно меняющейся скоростью ветра, будет компенсироваться вводом или выводом из работы по мере необходимости отдельных дизельных агрегатов. Такой диапазон регулирования позволит существенно уменьшить расход дизельного топлива и обеспечить потребителей бесперебойной подачей электроэнергии.

2.2.4. Методика определения выработки электроэнергии ВЭУ

На сегодняшний день разработаны и используются несколько основных методов определения выработки электроэнергии ВЭУ [8,9 и др.]. Все предложенные методы базируются на характеристиках ветрового режима исследуемой территории и технических параметрах ВЭУ: минимальной скорости vmin, рабочей скорости vном и максимальной рабочей скорости для заданной установки vmax. Для методов, предложенных в [8, 9], необходимо знать зависимость изменения выработки электроэнергии ВЭУ от скорости ветра. Данные о характеристиках зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра публикуются разработчиками ВЭУ.

Для определения выработки электроэнергии ВЭУ необходимо знать описание характеристик распределения скоростей ветра во времени на исследуемом участке, которые являются случайными величинами. Существует два способа описания характеристик распределения случайной величины (характеристики скорости ветра) [5].

При соблюдении условия (2.9) средняя скорость ветра оценивается по формуле

i 1

где vi – скорость ветра; vmax – максимальная рабочая скорость ВЭУ. Интегральная вероятность Fi определяется как вероятность то, что

скорость ветра попадает в i-й или более высокий интервал скоростей

43

где P(v) – функция изменения выработки мощности ВЭУ от скорости ветра.

Для распределения Вейбулла функция имеет вид

k

Различие между результатами расчета мощности по формулам (2.23) и (2.24) служит косвенной проверкой адекватности использования аналитической функции распределения скоростей ветра. Электроэнергия, выработанная ВЭУ, будет определяться по формуле

где Tраб – продолжительность работы ВЭУ, час.

Адекватность представления реального распределения скоростей vi на интервалах ∆vi аналитической функцией Вейбулла определяется величиной среднеквадратичного отклонения σ, определяемого формулой

Альтернативная интерпретация представленной методики приводится в [13]. Средняя производительность ветроустановки А, кВт·ч с номинальной мощностью N, кВт, начальной, расчетной и максимальной скоростями ветра, vmin, vном,vmax м/с соответственно за период времени Т равна

45

f (vном v vmax )– повторяемость диапазона номинального режима.

Удобство данного метода заключается в том, что значения гам– ма-функций для ветроэнергетических характеристик региона и характеристик ВЭУ приведены в таблицах, приводимых авторами методики. Для определения правильных значений гамма-функций необходимо рассчитывать коэффициент вариации скорости ветра :

I

где v – среднегодовая скорость ветра; vi – средняя скорость ветра за исследуемый год; I – количество исследуемых лет.

По данным [13], применение табличного метода в определении значений гамма-функций приводит к погрешности не более 1,4%. Однако следует учесть, что данные таблиц не учитывают нелинейность токоскоростной характеристики ВЭУ, что может привести к более значимым погрешностям при определении выработки.

Методика, предложенная в [14], определяет выработку электроэнергии, как время работы ВЭУ с установленной мощностью:

vmin

где Nн – номинальная мощность ВЭУ; N' – относительная мощность ВЭУ. Методика, предложенная в [15], базируется на эмпирических данных и привязывает характеристики ветроэнергетического потенциала к терри-

тории со строго определенным рельефом местности. В данной методике под энергоемкостью ВЭУ Q принимается количество энергии (кВт·ч), которое она способна выработать за определенный промежуток времени. Энергоемкость ВЭУ на протяжении одного года определяется по формуле

46

где PВЭУ – номинальня мощность ВЭУ; tp – ожидаемое число дней в году работы ВЭУ с номинальной мощностью.

По предложенной методике ожидаемое число дней работы тихоходного ветродвигателя в течение года (минимальная рабочая скорость ВЭУ 3 м/с), определяется по приведенным формулам:

для пустынной местности в интервале среднегодовых скоростей вет-

ра 2– 5,5 м/с

для приморской местности в интервале среднегодовых скоростей ветра 2– 7,5 м/с

для горной и предгорной местности в интервале среднегодовых скоростей ветра 2–7,5 м/с

Продолжительность работы быстроходного ветродвигателя (минимальная рабочая скорость ВЭУ 5 м/с) для всех упомянутых ландшафтных зон определяется по следующей эмпирической формуле:

Существует еще ряд методик для определения выработки электроэнергии ВЭУ, по разным причинам не получивших широкого распространения. Рассмотренные методики обладают различной областью применимости. Так, все предложенные методики базируются на предположении, что все установленные в ветропарке ВЭУ абсолютно надежные. Однако опыт эксплуатации ВЭУ показывает, что установки вырабатывают существенно меньше электроэнергии, чем было заявлено в расчетах. Особенно это актуально для северных территорий с арктическим климатом. Так, опыт эксплуатации ВЭУ «Wincon-200» около г. Мурманска показал, что у новой ветроустановки зарубежного производства реальная выработка электроэнергии в первый год эксплуатации составила 265 МВт٠ч. что оказалось примерно на треть меньше, чем по расчетам.

47