Оценка среднегодовой выработки электрической энергии ветроэнергетическими установками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка среднегодовой выработки электрической энергии ветроэнергетическими установками

В.Ф. Белей, А.Ю. Никишин

Предлагается упрощенная методика оценки среднегодовой выработки электрической энергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ), основанная на применении кривых зависимости коэффициента использования ВЭУ различных типов от среднегодовой скорости ветра в месте установки.

ветроустановка, ВЭУ, электроэнергетическая система

Ветроэнергетика - самая быстроразвивающаяся отрасль мировой электроэнергетики. В частности, на конец 2009 г. суммарная номинальная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире достигла 159213 МВт, показав годовой рост в 38312 МВт, что составило 31,7% от общей мощности в мире и позволило выработать 340 тВтч, т.е. покрыть около 2% мирового потребления электроэнергии за 2009 г. [1, 2].

В России существуют широкие возможности для развития ветроэнергетики, в частности, совокупный потенциал генерации электроэнергии с использованием энергии ветра на территории России оценивается в 80000 млрд. кВт/ч в год. Технический потенциал сопоставим по величине с совокупным и составляет 62180 млрд. кВт/ч в год. Экономический же потенциал значительно ниже - 31-250 млрд. кВт/ч в год [3]. Принятая мощность всех ВЭУ России на конец 2009 г. составляет 16 МВт, из которых 5,1 МВт эксплуатируются в Калининградской области [4].

Первоочередной задачей при выборе места строительства ВЭУ или ветроэлектростанций (ВЭС) является предварительная оценка среднегодовой выработки электрической энергии ВЭУ в случае её безотказной работы, которая позволяет в первом приближении оценить экономические показатели проекта. В дальнейшем, наряду с этим, также необходимо рассмотреть большое количество других аспектов, ключевыми из которых являются вопросы экологичности проекта, а для ВЭС большой мощности - оценка возможности подключения к электрической сети.

Существующие методы позволяют с высокой точностью определить годовую выработку ВЭУ или ВЭС в выбранном месте установки. Рассмотрим, в частности, суть метода непосредственного расчета среднегодовой выработки ВЭУ, который состоит в том, что энергия, выработанная ВЭУ за период между соседними измерениями, определяется по формуле

, (1)

где Pj - электрическая мощность ветроустановки на i-м промежутке, кВт; Tизм - период между измерениями, ч.

Значения Pj для каждого промежутка измерения определяются для вычисленной на этом промежутке скорости ветра по энергетической кривой, используемой ВЭУ. Суммарная энергия, выработанная ВЭУ за весь период измерения, вычисляется по формуле

. (2)

Метод требует наличия подробных метеорологических данных об изменении скорости ветра в течение нескольких лет (не менее трех) в выбранном месте установки ВЭУ, а значит, установки метеорологических станций и вышек, что не всегда экономически обосновано.

Предлагаемая далее методика базируется на распределении скоростей ветра по Рэйлиху и позволяет проводить подобную оценку с инженерной точностью на основе среднегодовой скорости ветра в выбранном месте установки на уровне ступицы ветроколеса ВЭУ.

Суть метода состоит в том, что диапазон рабочих скоростей ветра ВЭУ на уровне ступицы её ветроколеса разбивается на промежутки с шагом в 1 м/с. Для каждого из промежутков при заданной средней скорости ветра производится расчет коэффициента распределения Рейлиха по формуле

, (3)

где vi - скорость ветра на i-м промежутке, м/с; vср - средняя скорость ветра на высоте ступицы ветроколеса ВЭУ в рассматриваемой местности, м/с.

Среднегодовая выработка ВЭУ определяется по формуле

ветроэнергетическая установка рэйлих

, (4)

где fy,i - коэффициент Рейлиха для i-го промежутка скорости ветра; Pi - мощность ветроустановки на i-м промежутке скорости ветра, кВт; Тпер - продолжительность рассматриваемого периода, ч.

Аналогичным образом, используя распределение Рэйлиха и учитывая энергетические кривые ВЭУ различного типа и различной номинальной единичной мощности, можно построить зависимости идеального, без учета простоя ВЭУ, коэффициента использования установленной мощности этих ВЭУ, отражающего их среднегодовую выработку электрической энергии, от средней скорости ветра на высоте ступицы ветроколеса ВЭУ в месте их установки (рис. 1).

Анализ полученных зависимостей показывает, что среднегодовая выработка существенно зависит от типа выбранных к установке ВЭУ, в частности, ВЭУ на базе синхронных машин обеспечивают самый высокий коэффициент использования, при этом у ВЭУ на базе асинхронного генератора двойного питания он выше, чем у ВЭУ на базе асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором. Максимальная рабочая скорость ВЭУ также оказывает существенное влияние на среднегодовую вырабатываемую мощность, что обусловлено отключением ВЭУ и прекращением выдачи ею мощности при скоростях ветра выше максимальной рабочей. В частности, для всех ВЭУ с vкон = 25 м/с максимум годовой выработки ВЭУ находится в районе среднегодовой скорости ветра 14 м/с, для ВЭУ с vкон = 34 м/с -- в районе 20 м/с. При этом стоимость ВЭУ с увеличенной максимальной рабочей скоростью ветра превышает стоимость обычных ВЭУ. Поэтому использование таких ВЭУ в составе ВЭС должно быть экономически обосновано, что может быть выполнено с использованием полученных зависимостей (рис. 1).

Рис. 1. Кривые зависимости коэффициента использования ВЭУ различных типов от среднегодовой скорости ветра в месте установки

Полученные с метеорологической вышки Калининградского ветропарка данные о скорости ветра позволили оценить достоверность методики (табл. 1).

Таблица 1. Результаты расчетов выработки ветропарка мощностью 5.1 МВт в прибрежной зоне Балтийского моря Калининградской области

В рамках международного проекта «Перспективы развития морской ветроэнергетики в акваториях Литвы, Польши и России» были определены оптимальные места расположения двух ВЭС морского базирования номинальной мощностью 130 и 115 МВт в Калининградской области (рис. 2). Оценка годовой выработки электрической энергии этих ВЭС и проектируемой ранее в районе г. Балтийска ВЭС морского базирования номинальной установленной мощностью 50 МВт дана в табл. 2.

Рис. 2. Ветропарки, планируемые к установке в Калининградской области

Таблица 2. Расчет годовой выработки ВЭС морского базирования номинальной мощностью 130, 115 и 50 МВт в Калининградской области

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. World Wind Energy Report 2009 (PDF). Report. World Wind Energy Association. February 2010. Retrieved 13-March-2010. - 20 p.

2. World Wind Energy Report 2008. World Wind Energy Association: - Bonn, Germany. - 16 p.

3. Газета «Промышленный еженедельник».- №22 (205).- 25 июня - 1 июля 2007 г.

4. Рынок альтернативной энергетики. Аналитический обзор / РосБизнесКонсалтинг, демонстрационная версия, 08.02.2010. - 30 с.

Размещено на Allbest.ru