Методы расчета валовых и технических ресурсов ВЭ в заданной географической точке и на территории площадью F.

Различают три основных вида потенциала:

- Валовой;

- Технический;

- Экономический.

Валовые ресурсы ВЭ – суммарная энергия движущихся воздушных масс над данной территорией. Поскольку скорость ветра по высоте меняется, то при оценке валового потенциала играет роль на какой высоте ее определяют.

Удельная мощность ветровой энергии N_уд - кинетическая энергия, переносимая ветром в единицу времени через единицу площади, расположенную перпендикулярно скорости ветра и зависит не только от скорости ветра, но и от температуры воздуха и атмосферного давления (влияют на плотность воздуха r) и определяется по формуле:

N_уд ^вал(V)= 0,5 ∙r ∙ (V)³ ∙10^-3 ,

где r =1,266 кг/м² – плотность воздуха при нормальных условиях (атмосферное давление- 760 мм. рт.ст.; температура воздуха -15⁰ С).

Расчет удельных валовой мощности и энергии ветрового потока в конкретной географической точке A зависит от вида исходной информации, которой мы располагаем: либо – как минимум часовые значения скоростей ветра за период времени Т (обычно 1 год), либо повторяемость скоростей ветра.

1. В качестве исходной информации для нахождения удельной энергии ветрового потока задана дифференциальная повторяемость скоростей ветра по градациям t_i(V_i^гр) в %.

Удельная валовая мощность ветрового потока N_уд^вал находится для каждой градации по формуле:

N_уд^вал =å N_удi^вал (V_i^гр)= å 0,5 ∙r ∙ (V_i^гр )³ ∙10^-3 .

Для каждого значения V_i^гр (м/с) и t_i(V_i^гр) в % рассчитывается удельная энергия Э_удi по формуле:

Э_удi (V_i^гр, t_i(V_i^гр))= N_удi^вал(V_i^гр) ∙ t_i(V_i^гр) ∙8760 ,

Просуммировав Э_удi (V_i^град, t_i(V_i^град)) во всем диапазоне наблюдаемых скоростей (обычно от 1 м/с до 30 м/с ) получим значение удельного валового потенциала ветра в рассматриваемой географической точке - Э_уд^вал:

_{30 30}

Э_уд^вал = å Э_удi = 0,5 ∙r ∙T ∙å t_i(V_i) ∙ V_i³ .

^{i=1 i=1}

2. В качестве исходной информации для нахождения удельной энергии ветрового потока заданы ряды наблюдений за скоростью ветра - V(t). Тогда удельная энергия воздушного потока за период времени Т (обычно 1год) будет определятся выражением, Вт×ч/м²:

Э_уд^вал (Т) = N_уд^вал.(V)dt =0,5×r V(t)³dt

Кинетическая энергия, которой потенциально обладает ветровой поток, зависит не только от скорости ветра, но и от температуры воздуха и атмосферного давления.

По отношению к стандартным условиям (t= 15 ^oC и р = 101,3 кПа или 760 мм рт. ст.) изменение температуры воздуха от +15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоянной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, например, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию потока примерно на 6%.

Рисунок 1 - Влияние температуры воздуха на плотность и энергию воздушного потока.

Валовой потенциал ВЭ с площади S – это годовая суммарная энергия ветрового потока, которая может быть использована системой ВЭС на высоте h. При определении валового потенциала принимается допущение: при обтекании локальных препятствий высотой H_вэу возмущенный воздушный поток восстанавливается на расстоянии 20 H_вэу от каждой ВЭУ. Таким образом полное использование энергии ветра на высоте H осуществляется ветроэнергетической системой, в которой ряды ВЭУ ориентированы перпендикулярно скорости ветра и отстоят друг от друга на расстоянии
20 H_вэу.

Валовой удельный потенциал ветроэнергетики территории в районе т.А с площадью S (км²) рассчитывается обычно при условии, что все ВЭУ размещены друг от друга на расстоянии в 20×Н_ВЭУ (Н_ВЭУ, м – высота ВЭУ) по формуле, кВт×ч/км²×год:

Э_s^вал (Т) =1/20× Э_уд^вал (Т) ×S× 10³

Технический потенциал - это суммарная годовая энергия ветра, которая может быть получена от валового потенциала при помощи конкретных ВЭУ.

При определении технического потенциала следует учитывать:

- особенности конструкции выбранных ВЭУ (мощностная характеристика ВЭУ);

- розу ветров, влияющую на размещение ВЭУ на заданной площади S.

В зависимости от наличия исходной информации – рядов наблюдения за скоростью ветра различают методы расчета технических ресурсов:

1- либо по рядам наблюдений- V_hб(t):

Энергия ВЭУ (технический потенциал) за период времени Т (обычно 1год) определятся выражением, Вт×ч:

Э_ВЭУ(Т) = N_ВЭУ(V_hб(t))dt,

где N_ВЭУ(V_hб(t)) для каждого момента времени (часа или меньше) определяется по мощностной характеристике ВЭУ.

2 - либо по заданной дифференциальной повторяемости скорости ветра

Для каждого V_i^гр (м/с) и t_i(V_i^гр) в % рассчитывается энергия Э_ВЭУi по формуле:

Э_ВЭУi (V_i^гр, t_i(V_i^гр))= N_ВЭУi (V_i^гр) ∙ t_i(V_i^гр) ∙8760 ,

где N_ВЭУi (V_i^гр) определяется по мощностной характеристике ВЭУ.

Просуммировав Э_ВЭУi (V_i^град, t_i(V_i^град)) во всем диапазоне наблюдаемых скоростей получим значение энергии вырабатываемой ВЭУ за год (технический потенциал) за период времени Т

₃₀

Э_ВЭУ = å Э_ВЭУi (V_i^гр, t_i(V_i^гр)).

ⁱ⁼¹

Вырабатываемая энергия ветроэнергетической станции

Энергия, вырабатывая ветроэнергетической станцией (ВЭС) за период времени Т (обычно 1год) определятся выражением, Вт×ч:

Э_ВЭС(Т) = b₁×b₂×b₃× Э_{ВЭУ i} (Т) » Z_ВЭУ×b₁×b₂×b₃×Э_ВЭУ(Т),

где Э_{ВЭУ i} (Т) – энергия вырабатываемая i-й ВЭУ; Z_ВЭУ, ед.– количество ВЭУ; b₁,b₂,b₃, 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).

Параметры Z_ВЭУ и b₁ 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=10-12).

Существует разные способы размещения ВЭУ на поверхности земли:
В первую очередь это зависит от розы ветров:

1. Отсутствует преимущественное направление ветра, т.е. равномерная «роза» ветров. В этом случае ВЭУ располагают рядами на одинаковом расстоянии друг от друга, либо в шахматном порядке

а). рядами на одинаковом расстоянии друг от друга: При таком расположении агрегатов, если принять, что площадь поверхности земли необходимая одной ВЭУ равна S₁, а заданная общая площадь равна S_о, то количество ВЭУ определяется по формуле:

Z_ВЭУ = S_о/S₁,

если расстояние между ВЭУ принять равным kD_ВК, тогда

S₁ = (kD_ВК)²

б). в шахматном порядке: в данном случае выражения полученные для первого способа будут аналогичны, за исключением выражения для определения S₁ :

S₁ = (kD_ВК)²

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

Рисунок 2 Основные способы размещения ВЭУ на поверхности земли:

а)– рядами на одинаковом расстоянии друг от друга; б)– в шахматном порядке; в)– с учетом преобладающего направления ветра ("розы ветров").

2. Размещение с учетом преобладающего направления ветра

Если в районе строительства ВЭС наблюдается преобладающие направления ветра, например побережье моря, то целесообразно увеличить количество ВЭУ путем уменьшения расстояния между ВЭУ. В результате такого расположения, возможно, увеличатся аэродинамические потери взаимовлияния ВЭУ друг на друга (уменьшится коэффициент b₁), но из-за увеличения количества ВЭУ, суммарная выработка энергии ВЭС, с той же площади, существенного увеличится.

В данном случае выражение для определения S₁ будет следующим:

S₁ = k×n×D_ВК²

где n, k, ед. – соответственно, количество рядов ВЭУ параллельных и перпендикулярных преобладающему направлению ветра, причем обычно n = 2…k. Если n = k, получим первый способ расположения ВЭУ.