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 данн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.