CC BY
45ЭНЕРГЕТИКА
УДК 621.311.24
Р.Д. Мингалеева, ассистент; В.В. Бессель, профессор, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина
Методика оценки суммарной мощности ветроэлектростанции
Работа является продолжением исследований потенциала ветровой энергетики России, проводимых кафедрой термодинамики и тепловых двигателей РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина совместно с Королевским технологическим институтом (Стокгольм, Швеция) по программе «Энергосберегающие технологии для газотранспортных систем», и посвящена методам оценки установленной мощности ветроэлектростанции (ВЭС) при расположении горизонтально-осевых ветроэнергетических установок (ВЭУ) по схеме, не создающей зон аэродинамического затенения.
Ключевые слова: потенциал, ветровая энергетика, ветроэнергетическая установка (ВЭУ), ветроэлектростанция (ВЭС), суммарная мощность, диаметр ветроколеса.
Как уже было показано, в случае, когда рассматриваются горизонтально-осевые ветроэнергетические установки с ветроколесами одинакового диаметра, суммарный технический потенциал ветровой энергетики России, реализуемый на ветроэнергетических установках,не зависит от диаметра ветроколес и является величиной постоянной и равной приблизительно значению 0,07-109 ГВт-час/год [1].
Полученный результат требует пояснения. Необходимо привести обоснование, почему суммарная мощность, вырабатываемая всеми ветроэнергетическими установками на ветроэлектростанции, не зависит от диаметра колес ветроэнергетических установок. 1) Мощность ВЭУ при заданной скорости ветра и диаметре ветроколеса определяется соотношением [2]:
Рвэу4|-3,14.^.Ср.р^.(л.в(Т1мХ
или РВэу=к^2, (1)
где РВЭУ - установленная мощность ВЭУ, Вт;
Э - диаметр ветроколеса, м; V - скорость ветра, м/с; р- плотность воздуха, кг/м3;
Ср - коэффициент использования энергии ветрового потока; Т1мех.т1эл - суммарный КПД механических (редуктор, подшипники, и т.п.) и электрических (генератор, трансформатор и т.п.) элементов силового тракта ВЭУ; ^ - коэффициент, включающий среднегодовую скорость ветра, плотность воздуха, коэффициент Ср, суммарный КПД элементов силового тракта ВЭУ, другие постоянные величины, т.е.:
Ц{зД4.С,р^кЛ). (1Л)
2) Количество ветроэнергетических установок, которые входят в состав ВЭС, определяется по выражению:
N (2)
"установок (Д.В)О2 Э2'
где S - количество земли, которое отводится для строительства ВЭС; (Д.В)Э2 - площадь территории, занимаемая одной ВЭУ по принятой схеме размещения (Д.Э х В.Э), где А и В - коэффициенты, показывающие расстояние между ВЭУ в ряду и между рядами
Рис. 1. Зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра и диаметра ветроколеса
82
№ 9 сентябрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ENERGY SECTOR
Таблица 1. Исходные данные для расчета
в зависимости от диаметра ветроколеса таким образом, чтобы не создавать зон аэродинамического затенения на ВЭС [3]; к2 - коэффициент, включающий площадь территории S, коэффициенты А и В;
2 (А-В)'
D - диаметр ветроколеса ВЭУ. 3) Мощность всей ВЭС, состоящей из N-ветроэнергетических установок, определяется как:
р =N .р =^х-о2=К-К=К
вэс установок ВЭУ Г}2 1 1 2 У
(3)
где:
к — к *к —;
11.
т.е. коэффициент к3 не зависит от диаметра ветроколеса D. Из соотношения (3) следует, что суммарная мощность, вырабатываемая всеми ветроэнергетическими установками на ВЭС, не зависит от диаметра ветроколес ветроэнергетических установок, установленных на ВЭС, при использовании принятой выше схемы размещения ВЭУ, не создающей зон аэродинамического затенения на ВЭС.
А теперь рассмотрим два частных случая, когда определяющими факторами, которые необходимо учитывать при выборе ветроэнергетических установок, будут:
Параметр Данные
Диаметр ветроколеса - 0, м 50-100 м с шагом 10 м
Среднегодовая скорость ветра (континентальная зона России), м/сек 4; 5; 6; 7; 8 [1]
Площадь, занимаемая одной ВЭУ, м2 Определяется в зависимости от диаметра ветроколеса 0
Коэффициент использования установленной мощности ВЭУ, К загр Задается исходя из реальных эксплуатационных данных
Плотность воздуха - р, кг/м3 [2] 1,225
Коэффициент использования энергии ветрового потока - С [2] ' 0,45
Суммарный КПД механических и электрических элементов силового тракта ВЭУ - ^ [2] 0,9
Площадь территории для размещения ветроустановок на суше 100 га, или 1 км2
(2.1)
1) мощность энергопотребления объек- (Д.В)02 - площадь территории, занимаемая одной ВЭУ по принятой выше схеме размещения (Д.0 х В.0), где А и В - коэффициенты, показывающие расстояние между ВЭУ в ряду и между рядами в зависимости от диаметра ветроколеса.
Случай 1. Электроэнергия, вырабатываемая на ВЭС, должна на 100% компенсировать энергопотребление выбранного объекта при неограниченной площади земельного участка, выделяемого под строительство ВЭС. При этом:
1) Мощность ВЭУ при заданной скорости ветра и диаметре ветроколеса определяется по соотношению (1) [2]:
та Р, , которую необходимо компен-
объекта "
сировать за счет энергии, получаемой на ВЭС, без каких-либо ограничений площади земельного участка, отводимого под строительство ВЭС; 2) количество земли под строительство ВЭС строго определено установленной площадью S, так как аренда или покупка земли в настоящее время обходится очень дорого.
Для расчета используются следующие исходные данные:
S - количество земли, которое отводится для строительства ВЭС; Р, - энергопотребление выбранного
объекта г г г
объекта, которое необходимо на 100% компенсировать за счет электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС; N - количество ветроэнергети-
установок г г
ческихустановок на ВЭС;
или РВЭУ=к^2,
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 9 сентябрь 2014
83
ЭНЕРГЕТИКА
Таблица 2. Количество ветроэнергетических установок в зависимости от диаметра ветроколеса, которые можно разместить на территории площадью 1 км2
D ветроколеса, м / скорость ветра, м/с Количество ветроустановок, шт.
4 5 6 7 8
50 11 11 11 11 11
60 8 8 8 8 8
70 6 6 6 6 6
80 5 5 5 5 5
90 4 4 4 4 4
100 3 3 3 3 3
Рис. 2. Количество ветроэнергетических установок в зависимости от диаметра ветроколеса, которое можно установить на площади 1 км2
где к1 определяется выражением (1.1). 2) Количество ветроэнергетических установок, которое необходимо для компенсации энергопотребления выбранного объекта:
N
Р Р
_ объекта_ объекта
(4)
!0К РВЭу (М2)' где к1 определяется выражением (1.1). Количество земли S, необходимое для размещения ветроэнергетических установок:
S=N
•(A-B)D2=Ä(A-B)D2= (kj-D )
•(А-В)
(5)
где к1 определяется выражением (1.1). Таким образом, в случае, когда количество земли для размещения ВЭС неограниченно, используется схема размеще-
ния ветроэнергетических установок, не создающая зон аэродинамического затенения, и требуется компенсировать заданное энергопотребление объекта, площадь участка, выделяемого под строительство ВЭС, зависит прямо пропорционально от установленной мощности объекта энергообеспечения и геометрических параметров размещения ветроэнергетических установок, обратно пропорционально - от функции среднегодовой скорости ветра, но не зависит от диаметра ветроколес горизонтально-осевых ВЭУ. Случай 2. Площадь земли S для размещения ветроэнергетических установок на ВЭС фиксирована. При этом:
1) Мощность ВЭУ при заданной скорости ветра и диаметре ветроколеса определяется по соотношению (1) [2]:
или РВЭУ=к1.Э2,
2) Количество ветроэнергетических установок, которое можно разместить на ограниченной территории S:
N
(6)
установок (А-В)О2
Мощность, вырабатываемая на ВЭС, состоящей из ^ветроэнергетических установок, которые могут быть размещены на ограниченной территории S:
р =N .р =_J .1 .Q2_
вэс установок ВЭУ 1
(А-В)
(7)
где k1 определяется выражением (1.1). В данном случае необходимо проверить, компенсирует ли полученное количество электроэнергии на ВЭС энергопотребление выбранного объекта, то есть должно выполняться условие P sp .
ВЭС объекта
В случае, когда количество земли для строительства ВЭС ограниченно и используется схема размещения ВЭУ, не создающая зон аэродинамического затенения, как это следует из выражения (7), суммарная мощность, вырабатываемая ветроэнергетическими установками на ВЭС, не зависит от диаметра ветроколес горизонтально-осевых ВЭУ.
Оценим, как зависят установленная мощность одной ВЭУ, необходимое количество ВЭУ, которые можно разместить на заданной территории, и суммарная мощность, вырабатываемая всеми ВЭУ на ВЭС, от диаметра ветроколеса и среднегодовой скорости ветра. Рассмотрим случай, когда площадка для размещения ВЭС равна 100 га, или 1 км2, остальные используемые исходные данные представлены в таблице 1, а используемая схема размещения ВЭУ - 5х7 диаметров ветроколеса [1].
Алгоритм расчета следующий: 1. Мощность ВЭУ при заданной скорости ветра и диаметре ветроколеса определяется по соотношению (1):
PB3y=U.3,14.D2.Cp.p.V3.(nMex.nJ,
84
№ 9 сентябрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ENERGY SECTOR
где РВЭУ - установленная мощность ВЭУ, Вт;
0 - диаметр ветроколеса, м (табл. 1); V - скорость ветра, м/с (табл. 1); р- плотность воздуха, кг/м3 (табл. 1); Ср - коэффициент использования энергии ветрового потока (табл. 1); г|мех.т|эл - суммарный КПД механических (редуктор, подшипники и т.п.) и электрических (генератор, трансформатор и т.п.) элементов силового тракта ВЭУ (табл. 1).
2. Количество ветроэнергетических установок, которые можно разместить на заданной территории суши площадью Б, определяется соотношением:
Таблица 3. Суммарная мощность, вырабатываемая ветроэнергетическими установками на ВЭС, размещенной на территории площадью 1 км2
N
(7D-5D)'
(8)
где Б - площадь территории для размещения ветроэнергетических установок, м2 (табл. 1);
(70.50) - площадь, необходимая для одной ВЭУ, м2.
3. Суммарная мощность, вырабатываемая на ВЭС:
P=P'N -К ,
ВЭС ВЭУ установок загр'
(9)
где РВЭС - суммарная мощность, вырабатываемая на ВЭС, Вт; Кзагр=0,5 - принятый из практики для расчетов коэффициент использования установленной мощности ВЭУ [2]. На графике, приведенном на рисунке 1, показана зависимость установленной мощности ветроэнергетической установки (РВЭУ) от диаметра ветроколеса и среднегодовой скорости ветра, рассчитанная по соотношению (1). Из диаграмм, приведенных на рисунке 1, следует вывод, что при применении ветроколес со стандартным для мировой практики диаметром 50-100 м и при всем существующем диапазоне скоростей ветра на территории России установленная мощность одной ветроэнергетической установки (на суше) колеблется в диапазоне от 30 кВт до 1 МВт. В таблице 2 и на рисунке 2 показаны результаты расчета по выражению (8) количества ветроэнергетических установок, которые можно разместить на заданной территории площадью 1 км2, при заданных диаметре ветроколеса и среднегодовой скорости ветра.
0 ветроколеса, м / скорость ветра, м/с Суммарная мощность ВЭС, МВт
4 5 6 7 8
50 0,18 0,35 0,60 0,95 1,42
60 0,18 0,35 0,60 0,95 1,42
70 0,18 0,35 0,60 0,95 1,42
80 0,18 0,35 0,60 0,95 1,42
90 0,18 0,35 0,60 0,95 1,42
100 0,18 0,35 0,60 0,95 1,42
Рис. 3. Суммарная мощность, вырабатываемая ВЭС, в зависимости от диаметра ветроколеса и при различной среднегодовой скорости ветра
Полученные результаты расчета показали, что с увеличением диаметра ветроколеса количество ветроэнергетических установок для размещения на заданной территории уменьшается. В таблице 3 и на рисунке 3 показаны результаты расчета суммарной мощности ВЭС, расположенной на территории 1 км2, в зависимости от диаметров ветроколес и среднегодовой скорости ветра с учетом коэффициента загрузки ВЭУ К =0,5.
загр
Как видно из результатов моделирования, установленная мощность ВЭС не зависит от диаметра ветроколеса ветроэнергетической установки. Этот
факт существенно упрощает процесс первоначальной оценки установленной мощности ВЭС, располагаемой на фиксированной по площади территории. Обобщенный график зависимости суммарной мощности ВЭС, расположенной на площади 1 км2, от скорости ветра приведен на рисунке 4.
ВЫВОДЫ:
1. Суммарная мощность, вырабатываемая ВЭС, не зависит от диаметра ветроколес горизонтально-осевых ветроэнергетических установок, а является функцией среднегодовой скорости ветра и площади, на которой ВЭС рас-
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 9 сентябрь 2014
85
ЭНЕРГЕТИКА
Рис. 4. Суммарная мощность, вырабатываемая на ВЭС, в зависимости от среднегодовой скорости ветра при различных диаметрах ветроколес ветроэнергетических установок
положена. Это является важным фактором, позволяющим существенно минимизировать СДРЕХ (первоначальные инвестиции) при строительстве ВЭС.
2. При применении ветроколес со стандартным для мировой практики диаметром от 50 до 100 м и при всем существующем диапазоне скоростей ветра на территории России установленная мощность одной горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (на суше) колеблется в диапазоне от 30 кВт до 1 МВт.
3. На площади в 1 км2 могут быть установлены при оптимальной схеме размещения от 11 до 3 горизонтально-осевых ветроэнергетических установок в зависимости от диаметра ветроколеса, от 50 до 100 м соответственно.
4. Суммарная мощность ВЭС, расположенной на площади 1 км2, при коэффициенте загрузки горизонтально-осевых ветроэнергетических установок - Кза-гр=0,5, варьируется от 200 кВт до 1,42 МВт в зависимости от скорости ветра, от 4 до 8 м/сек соответственно.
5. Результаты моделирования показывают, что расположенная на терри-
тории от 1 до 10 км2 ВЭС может быть использована как автономная электроэнергетическая установка для энергообеспечения большинства объектов Единой системы газоснабжения России.
6. Использование такого рода установок принципиально важно в регионах Крайнего Севера или Дальнего Востока, где скорость ветра высока и практически полностью отсутствует какая-либо энергетическая инфраструктура [4].
UDC 621.311.24
R.D. Mingaleyeva, Assistant; V.V. Bessel, Professor of Gubkin Russian State University of Oil and Gas.
Methods for assessing total capacity of wind farms
This paper continues research into the potential of the Russian wind power engineering, performed by the Department of Thermodynamics and Heat Engines of Gubkin Russian State University of Oil and Gas in cooperation with the Royal Institute of Technology (Stockholm, Sweden) under the program «Energy Saving Technologies for Gas Transportation Systems», and deals with the methods for assessing the installed capacity of wind farms when the layout of the wind driven power plant with horizontal axis does not create aerodynamic shading zones.
Keywords: potential, wind power engineering, wind driven power plant (WDPP), wind farm (WF), total capacity, wind rotor diameter. References:
1. Mingaleyeva R.D., Zaytsev V.S, Bessel V.V. Otsenka tekhnicheskogo potentsiala vetrovoi i solnechnoi energetiki Rossii (Assessment of technical potential of wind and solar power engineering in Russia) // NEFTEGAS Territory. - 2014. - No. 3. - P. 82-90.
2. Bezrukikh P.P. Vetroenergetika (Wind power engineering): Reference Handbook. - MOSCOW: ENERGY PUBLISHING HOUSE, 2010. - 195 p.
3. Ali Sayigh. Comprehensive Renewable Energy. Volume Two. Wind Energy // Elsevier Ltd - 2012. - P. 746. -http://www.sciencedirect.com.focus. lib.kth.se/
4. Mingaleyeva R.D., Zaytsev V.S., Sidorov D.A., Belyayev A.A., Bessel V.V. Vozmozhnost' primeneniya avtonomnykh energeticheskikh ustanovok maloi motshnosti na VIE dlya energosnabzheniya ob'ektov Vostochnoi gazovoi programmy OAO «Gazprom» (The possibility to use low-power standalone RES generating plants to supply power to the facilities of Eastern Gas Program of Gazprom JSC) // NEFTEGAS Territory. - 2014. - No. 8. - P. 104-109.
Литература:
1. Мингалеева Р.Д., Зайцев В.С., Бессель В.В. Оценка технического потенциала ветровой и солнечной энергетики России // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2014. - № 3. - С. 82-90.
2. Безруких П.П. Ветроэнергетика: Справочное и методическое пособие. - М.: ИД «ЭНЕРГИЯ», 2010. - 195 с.
3. Ali Sayigh. Comprehensive Renewable Energy. Volume Two. Wind Energy // Elsevier Ltd - 2012. - P. 746. -http://www.sciencedirect.com.focus.lib.kth.se/.
4. Мингалеева Р.Д., Зайцев В.С., Сидоров Д.А., Беляев А.А., Бессель В.В. Возможность применения автономных энергетических установок малой мощности на ВИЭ для энергоснабжения объектов Восточной газовой программы ОАО «Газпром» // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2014. - № 8. - С. 104-109.
86
№ 9 сентябрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
