Расчёт ветроэнергетического кадастра

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северный Арктический федеральный университет им. М.В. Ломоносова»

Расчёт ветроэнергетического кадастра

Методические указания к выполнению контрольной работы

Архангельск

ИПЦ САФУ

Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией

Института энергетики и транспорта

ФГАОУ ВПО «Северный Арктический федеральный университет им. М.В. Ломоносова»

26 марта 2014г.

Составители:

А.А. Горяев, доц., канд., техн. наук

С.В. Бутаков, доц., канд.,техн., наук

Рецензент: С.В. Петухов, доц., канд. техн. наук

УДК 620. 92/8

Горяев А.А., Бутаков С.В. Расчёт ветроэнергетического кадастра: методические указания к выполнению контрольной работы. – Архангельск САФУ, 2013. – 30с.

Приведены: методика расчёта ветроэнергетического кадастра, варианты заданий, пример расчёта и необходимые справочные данные.

Предназначены для студентов направления 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника»

©Северный Арктический

федеральный университет

им. М.В. Ломоносова, 2013

Понятие ветроэнергетического кадастра

В удалённых районах Архангельской области для обеспечения потребностей в электрической и тепловой энергии работают дизель – генераторы и котельные на угле.

Для уменьшения завоза дизтоплива на Севера на 60 – 70 %, уменьшения завоза угля или уменьшения потребляемой электроэнергии из сети планируется построить установки для выработки электрической энергии.

Для расчёта потребности в ветроустановках необходимо иметь ветроэнергетический кадастр данного района, т.е. необходимо иметь исчерпывающую информацию о ветровой обстановке в районе, как о природном процессе и преобразовании ветровой энергии в электрическую. Общеметеорологических характеристик для этого недостаточно. Получение таких характеристик является основной задачей ветроэнергетического кадастра.

Ветроэнергетический кадастр представляет собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих выявить его энергетическую ценность и определить возможные режимы работы.

Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

1 - среднегодовая скорость ветра;

2 – годовой и суточный ход ветра;

3 – повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

4 – максимальная скорость ветра;

5 – распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

6 – удельная мощность и удельная энергия ветра;

7 – ветроэнергетические ресурсы района

Средние скорости ветра

Основной характеристикой ветра, определяющей его интенсивность и эффективность использования ветровой энергии, является его средняя скорость за определённый период времени (сутки, месяц, год). По результатам обработки 10 – летних наблюдений по 168 метеостанциям Северо – европейской части России, среднеквадратичное отклонение среднегодовой скорости повсеместно примерно одинаково и составляет 0,2 – 0,5 м/с.

В приложении №1 дана среднемесячная скорость ветра на высоте флюгера 10 м.

Среднегодовая скорость ветра определится:

(1)

где, V_m - среднемесячная скорость ветра, м/с.

Повторяемость скоростей ветра, его среднемесячная вероятность по градациям приведена в Приложении. Однако, для расчёта длительности затиший и расчёта рабочих периодов ветроустановки на высотах 20 – 100 м, необходимо пользоваться табулированными в % и днях в зависимости текущих скоростей ветра от среднегодовых скоростей ветра.

Максимальная скорость ветра при горизонтальном расположении оси ветроустановки ограничивается скоростью ветра 25 м/с. При превышении этой величины скорости ветра, ветроустановки выводятся из работы во избежание поломки. При вертикальной оси ветроустановки, она может работать при скорости ветра до 60 м/с.

В расчётно – графической работе максимальную скорость ветра принять 20 м/с, так как при расчётной скорости 12 – 13 м/с выработка электроэнергии будет поддерживаться на этом уровне.

Для обеспечения энергетической потребности требуется часть электрической энергии качественной, т.е. с частотой 50 Гц и часть электрической энергии для работы электрокотла, т.е. нагрева воды для отопления и горячего водоснабжения.

Вертикальный профиль ветрового потока определяется по формуле:

(2)

где – V_h1 – скорость ветра, измеренная на высоте 10 м, м/с;

V_h2 – скорость ветра на высоте h2 ;

m – показатель степени, 0,2 (в РФ, в США – 0,18) .

В таблице 1 и на рис.1 приведены коэффициенты возрастания скоростей ветра на разных высотах.

Таблица 1.

В соответствии с таблицей 2 и рис.1 можно определить среднемесячные и среднегодовые скорости ветра на разных высотах.

Рис. 1. Коэффициент возрастания средней скорости ветра в зависимости от высоты над землёй оси ветрового колеса

Повторяемость скоростей ветра

Повторяемость скоростей ветра является одной из важнейших кадастровых характеристик. Она показывает, какую часть времени в течении рассматриваемого периода дули ветры с той или иной скоростью. С помощью этой характеристики выявляется энергетическая ценность ветра и находятся основные энергетические показатели, определяющие эффективность и целесообразность использования энергии ветра.

В Приложении 2 приведена повторяемость скоростей ветра по градациям на высоте 10 м в процентах на различных участках Архангельской области.

В Приложениях 3 и 4 приведены значения повторяемости скоростей ветра в зависимости от среднегодовой скорости в процентах и днях.

Распределение рабочих периодов и периодов простоя ВЭУ по длительности

При анализе возможностей использования энергии ветра наряду с рассмотренными выше данными о средних скоростях ветра и закономерностях повторяемости скоростей большое значение имеют данные возможной длительности периодов работы ВЭУ и периодов простоя (энергетических затиший).

Под рабочим периодом Т_р понимается период времени, в течение которого скорость ветра больше минимальной рабочей скорости V_мин.р ≈ 3м/с, но меньше максимальной рабочей скорости V_макс.р, определяемой из условия обеспечения безопасности работы ВЭУ. Под периодом простоя Т_пр. понимается время, в течение которого скорость ветра меньше V_мин.р или больше V_макс.р.

(3)

где n₁ – общее число рабочих периодов за год;

n₂ и n₃ – число периодов простоя соответственно при скорости ветра меньше V_мин.р и больше V_макс.р; Т – число часов в году – 8760.

Графически (рис. 2) представляет собой площадь под кривой

повторяемости ветра, ограниченную ординатами V_мин.р и V_макс.р. Сумма отсечённой площади есть время простоя ВЭУ.

Рис. 2. Кривая повторяемости средней скорости ветра по Мезенской метеостанции № 45 на высоте 10 м за 10 лет (пример)

Удельные мощность и энергия ветрового потока

Удельная мощность ветрового потока на единицу площади ометаемой поверхности (1 м²) определится из формулы:

(4)

где V₀ – скорость воздушного потока, м/с;

ρ – плотность воздушного потока, 1,25 кг/м³.

Среднегодовая удельная энергия ветрового потока W_уд.п (энергия, протекающая за 1 год через 1 м2 поперечного сечения ометаемой площади) зависит от повторяемости скоростей ветра, т.е. какую долю годового времени t_i ветер дул со скоростью ν_i:

(5)

где k – число градаций ветра;

Т – число часов в году, 8760 ч.

Зная среднегодовую скорость ветра, его вертикальный профиль и повторяемость скорости ветра, можно дать энергетическую характеристику ветрового потока в любом районе.

Среднегодовая удельная мощность ветрового потока:

(6)

Мощность ветроустановки:

(7)

где – η – коэффициент полезного действия, 0,85;

ξ – коэффициент ветроиспользования, 0,45;

А₀ – ометаемая площадь, πd²/4, м².

На рис.3 в качестве примера показано, как формируется годовая сумма удельной энергии ветра (площадь под кривой W_уд) при среднегодовой скорости ветра 5,95 м/с. Из – за кубической зависимости мощности от скорости ветра наибольший вклад дают не наиболее часто наблюдаемые и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,7 – 1,9 раза.

В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка за год, а ту мощность, которую она может обеспечить постоянно.

Основными производителями ветроустанок за рубежом являются компании «Vestas» (Дания), «Enercon», “Simens” (Германия), «GE» (США) и др. Их усреднённые характеристики практически одинаковы. При подборе ветроустановок желательно устанавливать не одну мощную ветроустановку, а несколько ветроустановок меньшей мощности. В Приложении № 5 приведены технические характеристики зарубежных и отечественных ветроустановок.

Рис. 3. Повторяемость скоростей ветра и распределение годовой удельной энергии W_уд на высоте 30 м (пример): v₁ – наиболее часто наблюдаемая скорость, v₂ – средняя скорость ветра, v₃ – скорость, обеспечивающая наибольший вклад в годовую выработку энергии

Ветроэнергетические ресурсы

При оценке энергетических ресурсов рассматривают валовой, технический и экономический ресурсы.

Валовой (теоретический) потенциал ветровой энергии района – это средне многолетняя суммарная ветровая энергия движения воздушных масс над данной территорией в течение одного года, которая доступна для использования.

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 (10…20)h, так что полная ветровая энергия, захватыемая установками на площади территории S, м², в год, представляет валовой потенциал территории W_в, кВт∙ч/год, который при удельной энергии ветра W_уд , кВт∙ч/(м² ∙год), равен:

(8)

где S = 10⁶ м²;

Под техническими ветроэнергоресурсами понимается та часть валовых ресурсов, которая может быть использована с помощью имеющихся в настоящее время технических средств. Существующий уровень развития техники позволяет использовать энергию ветра с помощью отдельно стоящих ВЭУ. Это ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью ветроколеса.

Для оценки эффективности работы ВЭУ построим зависимость распределения удельной мощности ветра (рис. 4). Площадь под кривой 1 представляет собой годовую удельную энергию ветра, приходящуюся на 1 м² поперечного сечения ометаемой площади ветроколесом. В соответствии с критерием Бетца и теорией Н.Е. Жуковского в полезную работу может быть преобразована только часть ветровой энергии, проходящей через сечение ветроколеса, которая оценивается коэффициентом ε = 0,593. Практически, у лучших образцов ВЭУ коэффициент ε достигает значений 0,45 – 0,48.

Рис. 4. Теоретическое распределение удельной мощности ветра (1), удельной мощности на валу ветроколеса (2) и фактическое распределение удельной мощности ВЭУ (3,4)

При скоростях ветра ниже минимальной рабочей скорости V_мин.р мощности ветроколеса не хватает на преодоление сил трения в узлах ВЭУ. В диапазоне скоростей от V_мин.р до расчётной скорости ветра V_р, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность N_н, использование энергии ветра осуществляется наиболее полно.

При дальнейшем усилении ветра вплоть до максимальной рабочей скорости V_макс.р, мощность ВЭУ поддерживается на постоянном уровне благодаря работе регулирующих устройств. Доля полезно используемой ветровой энергии при этом снижается. При скоростях выше V_макс.р его энергия не используется.

Мощность единичной ВЭУ в кВт определяется выражением [5]:

(9)

где D – диаметр ветроколеса, м;

V_р – расчётная скорость ветра, м/с;

η_ρ и η_г – КПД редуктора и генератора.

Для суммарной установленной мощности на 1 км² земной поверхности используется формула:

(10)

где D – диаметр ветроколеса, м.

С учётом (8) будем иметь:

(11)

Суммарная установленная мощность ВЭУ, размещённых на единице площади, не зависит от диаметра колеса, а определяется расчётной скоростью ветра V_р и техническим совершенством ВЭУ.

Равномерность обеспечения потребителей энергией

Потребители электрической энергии должны получать электроэнергию равномерно в соответствии с потребностью в ней. При наличии периодов ветровых затиший, т.е. при скорости ветра меньше V_мин.р электроэнергия должна поступать от другого источника. Это может быть обеспечено двумя путями: аккумулированием энергии, включением дополнительного источника энергии или коммутацией с электросетью. По своему устройству и принципу действия аккумуляторы могут быть: механические, гидравлические, химические, тепловые, пневматические и комбинированные. При необходимости аккумулирования электроэнергии, выработка её не ограничивается расчётной скоростью, а ограничивается максимальной скоростью, т.е. 20 – 25 м/с. Вырабатываемая электроэнергия сверх потребности идёт на аккумулирование.

В настоящей расчётно – графической работе предлагается использовать для небольших и средних мощностей электролитические аккумуляторы с большой удельной электроёмкостью при выработке до 10 МВт – час. Для больших мощностей, свыше 10 МВт – ч применить тип аккумулирующего устройства тепловой или гидравлический. Дополнительным источником энергии на период ветровых затиший может служить дизель – генераторная установка (ДГУ). Ветродизельные системы системы (ВДС) получили в мире достаточно большое распространение и служат для электроснабжения в отдалённых районах. Цель объединения ВЭУ и ДГУ – экономия дизельного топлива. В условиях нестабильного характера ветра и нагрузки существуют различные проблемы, зависящие от количества объединяемых ВЭУ и ДГУ, их единичной и суммарной мощностей, типа нагрузки.

В расчётно – графической работе необходимо предусмотреть возможность аккумулирования энергии или дублирования от другого источника энергии.

Пример расчёта ветроэнергетического кадастра Мезенского района

(метеостанции №45 и №100)

Охарактеризуем ветровую обстановку Мезенского района.

Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

1 - среднегодовая скорость ветра;

2 – годовой и суточный ход ветра;

3 – повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

4 – максимальная скорость ветра;

5 – распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

6 – удельная мощность и удельная энергия ветра;

7 – ветроэнергетические ресурсы района.

Средние скорости ветра

Основной характеристикой ветра, определяющей его интенсивность и эффективность использования ветровой энергии, является его средняя скорость за определённый период времени (сутки, месяц, год).

Таблица 2. Среднемесячная и среднегодовая скорость ветра в Мезенском районе

Среднегодовая скорость ветра определится (по формуле 1):

1/12(4,95+5,0+4,8+4,65+5,0+5,0+4,5+4,5+4,6+4,8+4,8+5,0) = 4,8 м/с

Вертикальный профиль ветрового потока определяется по формуле (2):

где – V_h1 – скорость ветра, измеренная на высоте 10 м, м/с;

V_h2 – скорость ветра на высоте h₂;

m – показатель степени, 0,2.

В соответствии с таблицей 1 и рис.1 определим среднемесячные и среднегодовые скорости ветра на разных высотах.

Таблица 3. Средняя скорость ветра на разных высотах в г. Мезень, м/с

Повторяемость скоростей ветра

Повторяемость скоростей ветра показывает, какую часть времени дули ветры с той или иной скоростью. В соответствии с Приложениями 3 и 4 в таблицах 4 и 5 приведена повторяемость скоростей ветра в процентах и днях в г. Мезень.

Таблица 4. Повторяемость скоростей ветра в г. Мезень на разных высотах, %

Таблица 5. Повторяемость скоростей ветра в днях в г. Мезень

Рис. 5. Кривая повторяемости средней скорости ветра по г. Мезень на высоте 70 м

Распределение рабочих периодов и периодов простоя ВЭУ по длительности

Если начало работы ВЭУ принять при средней скорости ветра 3,0 м/с, то рабочий период составит в году:

1. На высоте 10м (таблица 4) рабочий период времени составит в году:

365дней*71% = 259 дней*24часа = 6216 часов в году.

2. На высоте 50 м (таблица 4) рабочий период составит:

365 дней * 86,6% = 316 дней * 24 часа = 7584 часа в год.

3. На высоте 70 м (рис. и таблица ) рабочий период составит:

365 дней* 88,9% = 324 дней * 24 часа = 7776 часов в год.

4. На высоте 100 м (рис. и таблица ) рабочий период составит:

365 дней * 92,2% = 337 дней * 24 часа = 8088 часов в год.

Удельная мощность и удельная энергия ветрового потока

Удельная энергия ветрового потока определится по формуле (5) и таблице 4.

На высоте 50 м от Земли среднегодовая удельная энергия W_уд.п составит:

W_уд.п=1/2*1,2*8760*(0,5³*0,008+1³*0,021+2³*0,039+3³*0,066+4³*0,095+5³*0,122+6³*0,137+7³*0,137+8³*0,121+9³*0,095+10³*0,066+11³*0,043+12³*0,02++13³*0,012+14³*0,006+15³*0,002+16³*0,002+17³*0,002 + 18³*0,001 + 19³*0,001) = 5256*(0,001+0,021+0,312+0,556+3,38+15,25 + 29,6 + 47 + 62 + 69,3 + 66 + 57,2 + 34,6+26,4+16,5+6,75+8,2+9,8+5,8+6,9) = 5256*465,57 = 2447035 Вт∙ч/м²∙год.

Среднегодовая удельная мощность ветра (Вт/м²) на высоте 50 м равна:

На высоте 100 м от Земли среднегодовая удельная мощность ветра W_уд.п составит:

W_уд.п = ½*1,2*(05³*0,004 + 1³*0,007 + 2³*0,022 + 3³*0,043 + 4³*0,062 + 5³*0,08 + 6³*0,105 + 7³*0,119 + 8³*0,132 + 9³*0,116 + 10³*0,098 + 11³*0,077 + 12³*0,055 + 13³*0,036 + 14³*0,021 + 15³*0,01 + 16³*0,006 + 17³*0,005 + 18³*0,003 + 19³*0,001) = 5256*(0,001 + 0,007 + 0,176 + 1,16 + 4 + 10 + 22,7 + 40,8 + 67,6 + 84,6 + 98 + 102,5 + 95,1 + 79,1 + 57,6 + 33,75 + 24,6 + 24,6 + 17,5 + 17,5 + 6,9) = 5256*788,2 = 4142779 Вт∙ч/м²∙год.

Среднегодовая удельная мощность ветра (Вт/м²) на высоте 100 м равна:

Р_ср = W_уд/Т = 4142779/8760 = 473 Вт/м²

Таким образом, наибольший вклад в преобразование энергии ветра в механическую мощность вносят ветры со скоростями в диапазоне 8 – 15 м/с.

Рис. 6. Распределение удельной мощности ветра (1) и удельной мощности на валу ветроколеса (2) по таблице 6: V_макс, V_р, V_мин – максимальная, рабочая и минимальная скорости ветра

Р_уд = 0,6V₀³

Таблица 6

Рис. 7. Повторяемость скоростей ветра t и распределение годовой удельной энергии W_уд в г. Мезень на высоте 50 м (таблица 7)

V₁ – средняя скорость ветра, м/с;

V₂ – скорость, обеспечивающая наибольший вклад в годовую выработку энергии.

Таблица 7

Рис. 8. Повторяемость скоростей ветра t и распределение годовой удельной энергии W_уд в г. Мезень на высоте

100 м (таблица 8).

V₁ – средняя скорость ветра, м/с;

V₂ – скорость, обеспечивающая наибольший вклад в годовую выработку энергии.

Таблица 8

Для построения рис. 7 и 8 использована таблица 4 (верхняя часть рисунка) и формула 4 (нижняя часть рисунка)

Порядок выполнения работы

1. – Составление ветрового кадастра для определённого района:

1.1. Определить среднегодовую скорость ветра (Приложение 1, формула 1);

1.2. Рассчитать повторяемость скорости ветра на высотах от 20до 100 метров (Приложения 3 и 4);

1.3. Определить среднемесячные и среднегодовую скорости на высотах от 20 до 100 метров;

1,4. Определить распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности (формула 3, приложение 3 и 4);

1.5. Определить удельную мощность и удельную энергию ветра и ВЭС (формулы 4 – 7);

1.6. Рассчитать ветроэнергетические ресурсы (формулы 8 – 11).

2. – Подбор необходимого количества ветроустановок для обеспечения потребности в электроэнергии.

Приложение № 1. Среднемесячные скорости ветра, м/с

Приложение № 2. Повторяемость скоростей ветра по градациям на высоте 10 м, %