АНАЛИЗ ВЕТРОВОГО РЕЖИМА И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ В УСЛОВИЯХ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 06.12.2011. Ред. рег. № 1159 The article has entered in publishing office 06.12.11. Ed. reg. No. 1159

УДК 620.92

АНАЛИЗ ВЕТРОВОГО РЕЖИМА И МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ В УСЛОВИЯХ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ

В.В. Чемеков

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (495) 171-14-23, e-mail: viesh@dol.ru

Заключение совета рецензентов: 10.12.11 Заключение совета экспертов: 12.12.11 Принято к публикации: 15.12.11

В работе выполнена обработка данных измерения скорости ветра полученных в ходе исследований в городе Туапсе Краснодарского края, с целью определения условий ветрового режима и оценки технических возможностей его использования для автономного энергоснабжения индивидуального жилого дома. Исследования проводились для получения полной информации по ресурсам возобновляемых источников энергии региона в связи с тем, что на сегодняшний день недостаточно исходных данных для проектирования энергоустановок и энергосистем на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Ключевые слова: автономная система энергоснабжения, возобновляемые источники энергии, ветроэлектрическая установка, метеостанция, потенциал энергии ветра, моделирование.

ANALYSIS OF WING REGIME AND SIMULATION OF WIND-DRIVEN GENERATOR OPERATION IN CONDITIONS OF THE BLACK SEA COAST IN KRASNODAR TERRITORY

V.V. Chemekov

All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1st Veshnyakovsky proezd, Moscow, 109456, Russia Tel.: (495) 171-14-23, e-mail: viesh@dol.ru

Referred: 10.12.11 Expertise: 12.12.11 Accepted: 15.12.11

Analysis of a wind velocity measurement data obtained at research in Tuapse city in Krasnodar Territory has been carried out in the work. The goal was to determine conditions of the wind regime and evaluation of technical possibilities of its application for autonomous power supply of an individual dwelling house. The research was carried out in order to obtain complete information about renewable energy resources of the territory. The fact is that nowadays there are not enough initial data for designing the power facilities and power systems based on renewable energy sources (RES).

Keywords: autonomous power supply system, renewable energy sources, wind-driven generator, weather station, wind energy potential, simulation.

Введение

Для проектирования и создания автономных систем энергоснабжения, а также отдельных энергоустановок на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) необходимы достоверные значения величины их энергетического потенциала в рассматриваемой местности. Ориентировочно оценить потенциал ВИЭ можно на основании уже имеющихся данных, опубликованных в гидрометеорологических справочниках и атласах [1, 2, 3]. Рабо-

ты по созданию справочников проводились систематически на протяжении нескольких десятков лет в Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова в Санкт-Петербурге. На территории России регистрация прихода солнечного излучения, скорости и направления ветра, температуры воздуха и почвы, влажности воздуха, осадков и атмосферных явлений осуществляется государственной метеорологической службой с использованием сети стационарных метеорологических станций.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 л Q © Научно-технический центр «TATA», 2011 ^ ^

Недостатком такого метода оценки является то, что в большинстве случаев стационарные метеостанции значительно удалены от того места, где необходимо определить потенциал возобновляемых энергоресурсов. Кроме того, метеопараметры измеряются с большим интервалом несколько раз в сутки [4], тогда как для достаточно точного расчета необходимы данные измерений как минимум за каждый час. Таким образом, отсутствие современных технических средств непрерывной регистрации текущих метеопараметров на сети метеостанций вызвало необходимость проведения собственных измерений с использованием мобильной метеостанции Davis Vantage Pro II Plus и обработки полученных данных для оценки потенциала ВИЭ, в частности, энергии ветра.

Информация, необходимая для расчетов по использованию энергии ветра, содержащаяся в справочниках и атласах, позволяет оценить теоретически возможный потенциал ветровой энергии. К ней относятся данные среднемесячных и среднегодовых скоростей ветра, годовой и суточный ход скорости ветра, а также повторяемость скоростей по градациям. Еще одной немаловажной характеристикой является время периода с непрерывной продолжительностью скорости ветра выше заданного предела и пе-

риода, когда ветроэлектрическая установка (ВЭУ) не вырабатывает электроэнергию при так называемых «энергетических затишьях» [5]. Располагая этими данными, можно приблизительно оценить ветровой режим в любом пункте наблюдения. Для более точной оценки ветровых условий в каждом конкретном случае следует выполнять моделирование работы ВЭУ по данным среднечасовых скоростей ветра.

Характеристика изменения скорости ветра в течение года

По данным измерений, полученным в течение года, на побережье Черного моря имеют место закономерные, обусловленные временем года и суток изменения интенсивности скорости ветра (рис. 1). В целом как суточный, так и годовой ход средней скорости ветра оказываются достаточно благоприятными для использования ВЭУ. Максимум среднемесячных скоростей приходится на холодное время года с ноября по март и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии [6]. Одновременно он совпадает с минимумом солнечного сияния, что позволяет, например, компенсировать сезонность использования солнечной энергии.

18 16 14

(Л

£ 12 | 10

I 8

о ф

| 6 4 2 0

4 6 8 10 12 14 16 18 метеостанция №37018

Рис. 2. Сопоставление результатов измерения скорости ветра на двух метеостанциях Fig. 2. Comparison of wind speed measurements results at two weather stations

Для проверки достоверности измерений метеостанцией Davis выполнено сопоставление полученных результатов с величинами средних скоростей ветра, зафиксированными на стационарной метеорологической станции «Туапсе» - № 37018 за тот же период (рис. 2). Несмотря на то, что регистрация скорости ветра на станции №37018 ведется с периодичностью в три часа, сравнение среднесуточных скоростей, зафиксированных на рассматриваемых метеостанциях, позволило установить линейную корреляционную связь, а также отметить более благоприятные ветровые условия в месте расположения метеостанции Davis.

Повторяемость скоростей ветра по градациям

Для решения многих практических задач, в том числе для учета ветроэнергетических ресурсов, необходимо знать распределение скоростей ветра в

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

различных пределах. Данные о повторяемости скорости ветра по градациям за период с 1936 по 1964 г. содержатся в справочнике по климату СССР [1], а за период с 1966 по 1992 г. - в Атласе ветров России [2]. Численные значения представлены по градациям, принятым гидрометеослужбой. В диапазоне скоростей до 18 м/с - по 2-метровым интервалам, а в области более высоких и реже наблюдаемых скоростей - по 3-, 4- и 6-метровым интервалам. Для выполнения ряда ветроэнергетических расчетов необходимо, чтобы данные о повторяемости скоростей ветра были представлены по 1-метровым интервалам скорости. Получение таких данных возможно с помощью аналитических зависимостей. В нашей стра-

не наибольшее признание нашло уравнение Грине-вича [5] и Вейбулла [2].

Используемая для измерений метеостанция Davis обеспечивает получение данных с интервалом 0,4 м/с (рис. 3, 4), а для обработки материалов выполненных метеонаблюдений и получения повторяемости скоростей ветра по градациям использовалось следующее выражение [5]:

ti = rjR,

(1)

где ^ - повторяемость скоростей в /-м интервале скорости; г, - число замеров скорости, приходящейся на /-й интервал; Я - общее число замеров скорости за рассматриваемый период.

10-

9-

8-

О^ 7

П

S} 6-

5 О 5-

п. р 4-

1ч 3-

с

2-

1

0

-СМСМСОСО ^'¡ГЮЮЮЮГ^Г^ 00000)0)00'

nn^fininioio^NMOoao)'

-ш

MTrmJb

а

ТПтшь-

tefw

октябрь

ш

га-

Рис. 3. Повторяемость среднечасовых скоростей ветра Fig. 3. Repeatability of hourly wind speeds

февраль

Ш

Iffrlwrn.....

I

IttTTfTtrrhr

i

Isw*

Ш

ШМТЫкп

I

[■■IWrTTf^r

_Пп_сентябрь_

Hü

Рис. 4. Повторяемость среднечасовых скоростей ветра за каждый месяц Fig. 4. Repeatability of hourly wind speeds for each month

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 г« © Научно-технический центр «TATA», 2011 '

5

5

0

0

0

5

5

0

0

Суммарное время работы ВЭУ может составить 66% в год, время простоя - 34%. В зимние месяцы с ростом интенсивности ветра эта пропорция изменяется в сторону увеличения рабочего времени до 7080%, а в летние - в сторону уменьшения до 30-40%.

Построенные по данным метеонаблюдений характеристики хорошо аппроксимируются с типовыми характеристиками для группы станций, расположенных на побережье морей. Наибольшую повторяемость за год имеет ветер со скоростью от 0 до 5 м/с (6070%), т.е. преобладают слабые и умеренные ветры, причем большой процент составляют ветры со скоростью 2-3 м/с (20-55%). Скорости ветра более 10 м/с наблюдаются сравнительно редко, и их вероятность большей частью составляет за год не более 10%.

18

Повторяемость периодов работы и простоя ВЭУ

Как было сказано выше, немаловажной характеристикой ветроэнергетических ресурсов являются данные о возможной длительности периодов работы ВЭУ и периодов простоя. В то же время для определения возможных режимов работы ВЭУ желательно также знать, из каких периодов складывается это время, каково их распределение по длительности, насколько часто периоды работы могут сменяться периодами простоя и какова максимальная длительность простоя [5]. Более подробная обработка данных непрерывных наблюдений позволяет получить такие характеристики (рис. 5).

16 14 12 10 8 6 4 2 0

-«trtncNi-T- т-т-сч««^^юсо©1^1^оогососчоЬ4ососчоЬ4ососч

(ЯООгММПП^ЮЮЮ

интервал длительности, ч.

Рис. 5. Распределение периодов простоя и периодов работы ВЭУ по длительности Fig. 5. Distribution by duration inactivity periods and work periods of wind turbine

Правая часть графика представляет собой суммарное время работы ВЭУ в течение года. Около 32% этого времени приходится на периоды длительностью более суток, в том числе 13% - более 3-х суток. Левая часть графика отображает суммарное время простоя ВЭУ, из которых 32% приходится на периоды длительностью менее суток, в том числе 24% - менее 12 часов. Максимальная длительность непрерывной работы зафиксирована в зимнее время и составляет 156 часов, максимальная длительность затишья зафиксирована в летнее время и составляет 46 часов.

Анализ этих же данных по месяцам года показывает, что с ноября по март 45-65% рабочего времени в месяц приходится на периоды длительностью более суток, в т.ч. 15-30% - более 3-х суток и до 20% -более 5 суток. Время простоя ВЭУ на 15-25% складывается из периодов менее суток, в т. ч. 10-20% -менее 12 часов.

Определение таких показателей, как среднее значение длительности рабочих периодов и периодов простоя [5] по каждому месяцу, позволило установить их зависимость от среднемесячной скорости ветра (рис. 6).

В зимний период года при среднемесячной скорости ветра 6-8 м/с длительность простоя ВЭУ составляет в среднем не более 3-4 часов, а длительность работы в среднем 15-30 часов и более.

1000

800

J. 600

Si 400 m

200 0

0 2 4 6 8 10

среднемесячная скорость ветра, м/с

среднемесячная скорость ветра, м/с

Рис. 6. Зависимость средней длительности периодов простоя, периодов работы и частоты смены этих периодов от среднемесячной скорости ветра Fig. 6. Average duration periods of inactivity, periods of work and the frequency change of these periods depending on the average wind speed

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

В летнее время при среднемесячной скорости ветра 3-4 м/с средняя длительность рассматриваемых периодов примерно одинакова и составляет 3-7 часов. На этом же рисунке представлены данные о частоте смены периодов работы и простоя в течение месяца, из которых видно, что частота смены периодов максимальна в месяцы со средней скоростью ветра около 3 м/с. В эти месяцы среднее значение скорости наиболее часто переходит через границу, разделяющую периоды работы и простоя. При меньших значениях среднемесячных скоростей преобладают ветровые затишья, при больших - периоды работы ВЭУ. В зимние месяцы частота смены составляет в среднем около 80 раз в месяц, в летние - до 150.

Определение удельной мощности и энергии ветра

Согласно методике определения энергетического потенциала [7], для определения удельной мощности ветра достаточно знать повторяемость его скоростей

по градациям. Для каждой градации расчет производится по формуле, Вт/м2:

N

ГР = 1Р^ f

(2)

где р - средняя плотность воздуха приземного слоя атмосферы, кг/м3; у - расчетное значение скорости для выбранной градации, м/с; Ау) - повторяемость градации скорости, %.

На рис. 7 показано формирование годовой удельной мощности ветра по повторяемости среднечасовых скоростей ветра. Наибольший вклад в величину энергетического потенциала дают не наиболее часто наблюдаемые скорости ветра и даже не средние скорости ветра, а скорости, превышающие последние в 1,5-3,0 раза.

По результатам расчетов удельная мощность ветрового потока составляет 155,81 Вт/м2, а энергия ветрового потока 1364,9 кВт-ч/м2 в год.

10 9 8

7 * 6 | 5 I

о

4 5

3 | л

2 § 1 0

Ö"Ö"v-"v-"N"N"F) СО Ю" Ю" CD CD N N СО СО О" О" О" О" v-' v-' N" N" F) FWW^" Ю ф ф ^ К К СО'СО" СП СП с

Рис. 7. Распределение годовой удельной мощности ветра Fig. 7. Distribution of the annual wind power density

Полученные результаты хорошо согласуются с данными среднемноголетних наблюдений, согласно которым величина среднегодового ветроэнергетического потенциала для условий черноморского побережья Краснодарского края составляет 1000-1500 кВт-ч/(м2-год) [1].

Моделирование работы ВЭУ

Полезную мощность, вырабатываемую единичной ВЭУ, ЖВЭу, кВт, можно определить по формуле [5]

^вэу = 4,81 -10-4 В2 урСр Лр Пг, (3)

где В - диаметр ветроколеса, м; ур - расчетная скорость ветра, м/с; СР - коэффициент использования энергии ветра (мощности); пр и пг - КПД редуктора и генератора.

Как правило, ВЭУ имеет выходную характеристику, по которой можно непосредственно определить вырабатываемую мощность при заданной скорости ветра.

мощность, Вт

7000 -

6000 -

5000 -

4000

3000 -

2000 -

1000 -

о -

о 2 4 S » 10 П 14 IS IS скорость ветра, м/с

Рис. 8. Зависимость мощности ветрогенератора

«EuroWind 5» от скорости ветра Fig. 8. Dependence of the power output of wind turbine "EuroWind 5" on the wind speed

Кривая распределения мощности для ветрогене-раторов обеспечивает простоту и реалистичность вычисления ожидаемой выработки энергии согласно условиям ветра в определенной местности. Зависимость мощности от скорости ветра ветрогенератора «EuroWind 5», выбранного для моделирования, показана на рис. 8, а его основные технические характеристики приведены в табл. 1 [8].

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

Таблица 1

Технические характеристики ветрогенератора «EuroWind 5»

Table 1

Technical characteristics of wind turbine "EuroWind 5"

Результаты моделирования величины вырабатываемой электрической энергии за каждый месяц года приведены в табл. 2, а на рис. 9 показан график среднечасовых значений вырабатываемой электроэнергии, суммарная величина которой составляет 8833 кВт-ч в год.

Таблица 2

Расчетная выработка электроэнергии ВЭУ «EuroWind 5» по месяцам

Table 2

Estimated power output of wind turbine "EuroWind 5" for months

Максимальная мощность, Вт 6400

Напряжение ветрогенератора, В 240

Начальная скорость ветра, м/с 2

Номинальная скорость ветра, м/с 10

Полный вес ветрогенератора, кг 1293

Количество лопастей, шт. 3

Диаметр ротора, м 6,4

Материал лопастей фибергласс

Тип генератора на постоянных магнитах

Защита от ураганного ветра автоматическая

Высота мачты, м 12

Контроллер заряда автоматический

Рабочая температура, °С от -40 до +60

Заявленная среднегодовая выработка энергии при средней скорости ветра 6 м/с, кВт-ч/год 13500

Время зарядки аккумуляторов, ч около 16

Рекомендуемые аккумуляторы, 20 шт. 12В 150Ач

Напряжение после инвертора, В 220/380, 50 Гц

Месяц V, м/с Тр, ч W, кВт-ч

I 6,74 598 1411

II 5,51 542 961,5

III 6,65 553 1522

IV 3,75 317 503,2

V 3,58 281 491,6

VI 3,03 226 285,7

VII 3,66 324 478,9

VIII 3,4 304 398,5

IX 4,49 442 683,4

X 3,8 363 447,2

XI 5,5 503 975,1

XII 4,53 450 738

7 6 5 4 3 2 1 0

Январь Февраль Март Апрель

[I 111 Иг Ш 1 1 1 1 -1-1—1- 1 1 -

1 I II Ii 1 1 1 11 —rtl th^i III 1 1 я 1 1 1 I,

IIИМ«IIIBIH ■ IIIшш и щи ■имппBin и irimn Ii iiirtrm inivfliiffl 1 1 ИТ ш 1 1 ч Т Г 11| " Ч W 1 1 f П Т "11 Г ' ..... 1 II 11 г II II 1 1

т

май

Июнь

Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Рис. 9. График выработки электроэнергии ветрогенератором «EuroWind 5» Fig. 9. Graph of power output of wind turbine "EuroWind 5"

Выводы

Проведенный анализ ветрового режима показал, что в период с ноября по март участок в районе г.Туапсе относится к благоприятным для использования ВЭУ. В эти месяцы средняя скорость ветра составляет 5-7 м/с, а коэффициент использования установленной мощности ветрогенератора 0,12-0,22. Величина среднегодовой скорости ветра на высоте 10 м составляет 4,6 м/с, а энергоактивный диапазон 65% всего периода.

Совокупность полученных характеристик ветра дает основу для определения технико-экономических показателей и оценки района с точки зрения масштабного практического использования ветровой энергии.

Список литературы

1. Справочник по климату СССР - вып. 13. ч. III. Ветер. Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1967.

2. Старков А.Н., Ландберг Л., Безруких П.П., Бо-рисенко М.М. Атлас ветров России. Министерство

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

топлива и энергетики России, Национальная лаборатория Рисо (Дания), Российско-Датский институт энергоэффективности. М.: Моржайск-Терра, 2000.

3. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 13. Многолетние данные: ч. 1-6. Гос. Ком. СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, Северо-кавказское территориальное управление по гидрометеорологии. Л.: Гидрометео-издат, 1990.

4. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. Изд. 2-е. М., 1983.

5. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера: Состояние, условия эффективности, перспективы. Л.: Наука, 1989.

6. Чемеков В.В. Основные положения концепции автономного жилого дома // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 7. С. 122-128.

7. Безруких П.П., Арбузов А.Д., Борисов Г.А., Виссарионов В.И., Евдокимов В.М., Малинин Н.К., Огородов Н.В., Пузаков В.Н., Сидоренко Г.И., Шпак А.А. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб.: Наука, 2002.

8. Каталог ветрогенераторов EuroWind. Украинская альтернативная энергетика. http://wind.ae.net.ua.

г>е-1

- TATA — LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (104) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011