Расчет производительности ветровых установок.
, , АО «КазНИИ Энергетики имени академика », НАО «КазНИТУ имени »
Для расчета производительности ветрового парка необходимо, во-первых, располагать метеорологическими данными (скоростью ветра, его направлением и частотой возникновения). Во-вторых, иметь информацию о рельефе, шероховатости и существующих препятствий для ветра в радиусе 10 км от расположения ветрового парка. И, в третьих, нужны характеристики самих ветровых турбин (высота мачты, диаметр ротора, установленная мощность) и их расположение внутри ветрового парка.
Одним из наиболее важных характеристик ветровых энергетических установок (ВЭУ) является ее номинальная мощность. Эта величина указывает, сколько кВт*ч энергии турбина выработает при максимальной нагрузке [1]. Номинальная мощность рассматриваемой ветровой турбины составляет 2 000 кВт. Это значит, что при наиболее оптимальной скорости ветра 17 - 21 м/с ветровая станция произведет 2 000 кВт*ч энергии за час работы (рисунок 1) [2].
Эта величина производимой ветровой энергетической установкой мощности в определенный момент времени описывается рабочей кривой, характеризующей зависимость вырабатываемой турбиной мощности от наличной в данный момент скорости ветра. Для данной турбины эта рабочая кривая приведена на рисунке 1.
Ротор начинает вращаться при скорости ветра, равной 3 м/с, и останавливается по причинам безопасности при скорости 21 м/с.
Объем производимой энергии в определенный момент времени высчитывается по формуле [3]:
где Е – производимая энергия в определенный момент времени (Вт/с);
- плотность воздуха, кГ/м 3;
w – скорость ветра, м/с;
S – площадь, охватываемая ветровым колесом ротора, м 2;
- общая эффективность ветровой турбины при данной скорости ветра, доли.
Так для рассматриваемого типа ветровой турбин на 2 000 кВт установленной мощности с диаметром ротора 90 м при скорости ветра 7 м/с, эффективностью 45 % и плотностью воздуха на уровне мачты 1,216 кГ/м 3, получим:
Из этого следует, что при данной скорости эта ветровая турбина будет производить 1 193 кВт в данный момент времени.
Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 2 000 кВт) на среднюю годовую скорость ветра. Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке. Коэффициент использования установленной мощности - это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года. Теоретически значение коэффициента использования установленной мощности может варьироваться от 0 до 100 %, но практически он располагается в пределах от 20 до 70 % и чаще всего равен 25 – 30 % [4].
Рисунок 1 – Кривая производительности ВЭУ(при плотности воздуха 1,225 кГ/м 3).
Так, для ветровой турбины с установленной мощностью 2000 кВт коэффициент использования установленной мощности равен 44,5% (определяется расчетным путем с помощью программного приложения WindPRO при построении кривой распределения ветра по интенсивности и продолжительности в определенной точке – в нашем случае, это расположение метеорологической мачты), прогнозируемое количество произведенной за год энергии будет равно:
Проведенные вычисления с помощью модуля METEO программы WindPRO 2.5 показали следующие значения (таблица 1).
В данном случае от основного результата вычислений отнимается значение погрешности вычислений 10 %. Это связано с тем, что, даже обладая подробными метеорологическими данными участка, сложно предсказать точную производительность будущей ВЭС, поэтому для инвесторов принимается минимальное значение в интервале результатов с учетом погрешностей.
Проведенные вычисления с помощью модуля METEO программы WindPRO 2.5 показали следующие значения (таблица 1).
В данном случае от основного результата вычислений отнимается значение погрешности вычислений 10 %. Это связано с тем, что, даже обладая подробными метеорологическими данными участка, сложно предсказать точную производительность будущей ВЭС, поэтому для инвесторов принимается минимальное значение в интервале результатов с учетом погрешностей.
Таблица 1. Результаты расчетов годовой производительности ветровой турбины, в зависимости от параметров воздушного потока.
Диаметр ветрового колеса (м) | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 | 1,5 |
Среднегодовая скорость ветра (м/с) | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Расчетное время работы ВЭУ в году (ч) | 8760 | 8760 | 8760 | 8760 | 8760 | 8760 |
Поперечная площадь сечения ветрового потока (м2) | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
Мощность ветрового потока (Вт) | 768 | 1326 | 2106 | 3144 | 4476 | 6140 |
Мощность на выходе ВЭУ (Вт) | 192 | 332 | 527 | 786 | 1119 | 1535 |
Фактическое количество вырабатываемой электроэнергии (кВт*ч/год) | 1 680,87 | 2 904,54 | 4 612,31 | 6 884,84 | 9 802,83 | 13 446,95 |
Среднегодовая мощность ветрового потока (Вт) | 1 462,54 | 2 527,27 | 4 013,21 | 5 990,56 | 8 529,52 | 11 700,31 |
Среднегодовая мощность ветрового потока P c (Вт/м 2) | 146,25 | 252,72 | 401,31 | 599,04 | 852,93 | 1170 |
Литература
1. Австралийцы задумали построить самую высокую в мире трубу. http://www. membrana. ru/particle/16484.
2. Метеорологический ежемесячник. Ч. 2, вып. 1-34, издание периодическое, Л. 1966-1975.
3. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветровых установок малой и средней мощности. М. Интерсоларцентр, 2001, с. 54-55.
4. Сабинин, и аэродинамический расчет ветряных двигателей // Труды ЦАГИ, 1931. – вып. 104. – 88 с.
