Исследование ветрового режима для целей ветроэнергетики

Если нет фактических измерений ветра выше 10 м, то расчет этих данных может выполняться косвенными методами.

Модели и методы экстраполяции скоростей ветра должны учитывать рельеф поверхности, а также стратификацию атмосферы. Оба этих фактора в большей степени подвержены изменениям во времени и пространстве. Поэтому при использовании методов экстраполяции можно учесть их только приближенно. С их помощью можно определить приемлемые средние значения скорости ветра, а затем оценить с разумной точностью энергетические ресурсы ветра и лишь приблизительно согласовать режим работы ВЭУ с неоднородностями полей скоростей ветра на больших высотах.

В методику расчета кадастровых величин входит приведение средних годовых скоростей ветра к сравнимым условиям по открытости и высоте с использованием классификации В.Ю.Милевского и последних сведений о вертикальном профиле ветра.

Среднюю многолетнюю скорость ветра на интересующем уровне приземного слоя до 70 м можно найти по номограмме, располагая данными о скорости ветра на уровне 10 м 20.

В таблице 8 приведены данные, характеризующие закономерность возрастания скорости ветра с высотой.

Таблица 8

Скорости ветра в нижнем 70-м слое атмосферы

На основании табличных данных можно сделать вывод, что на высотах 50-70 м наблюдается увеличение скорости ветра, что, в свою очередь, обеспечивает рабочий режим ВЭУ.

3.3 Ветроэнергетический потенциал

Определение потенциальных энергоресурсов у земли не представляет особых трудностей. Эта характеристика достаточно просто и надежно оценивается по данным наблюдений за скоростью ветра. Однако ВЭУ используют не весь потенциал ветровой энергии, а лишь ее часть, что обусловлено техническими особенностями преобразователей энергии ветра 10.

Общая мощность суммарного ветрового потока рассчитывается по формуле (2):

N = ?u³S, (2)

где - плотность воздуха кг/м³;

u - скорость ветра;

S - площадь поперечного сечения ветрового потока;

примем S = 1 м², тогда

удельная мощность ветра, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения, равна:

N_уд = ?u³ (3)

Охарактеризовать потенциальные запасы энергии ветра можно на основе соотношения:

(4)

где W_уд - удельная энергия ветра (на 1 м² поперечного сечения), зависящая от повторяемости ветра за Т период; Т = 8760 часов в году; n - число градации скорости ветра.

Под потенциальными ветроэнергоресурсами понимают суммарную энергию движения воздушных масс, перемещающихся над рассматриваемой территорией в течение года.

Расчет целесообразней вести по отдельным слоям воздуха с учетом изменения скорости ветра по высоте. С этой целью были взяты данные среднегодовой скорости ветра.

Для запуска ВЭУ требуется определенное минимальное значение вращающего момента лопастей, которое соответствует некоторому минимальному значению скорости ветра на уровне лопастей Umin. При скорости ветра, превышающей максимально допустимое значение для ВЭУ, определяемое техтребованиями, их эксплуатация становится небезопасной. В этом случае требуется развернуть лопасти относительно продольной оси таким образом, чтобы обеспечить резкое снижение ветровой нагрузки 7.

Удельная мощность ВЭУ выражается в следующих диапазонах работы:

где общ - КПД преобразования механической энергии в электрическую;

- функция отношения окружной скорости концов лопастей и скорости ветра;

z - высота над поверхностью земли;

A - площадь поверхности, ометаемой лопастями колеса;

Nном - номинальная (установленная) мощность ВЭУ;

umin - скорость ветра, при которой происходит запуск ВЭУ;

uном- скорость ветра, при которой достигается номинальная мощность ВЭУ;

umax- скорость ветра, при которой происходит отключение ВЭУ.

Учитывая, что скорость ветра является случайной функцией времени, выражение для удельной мощности ветрового потока выглядит в общем виде следующим образом:

(5)

где f(u) - дифференциальная повторяемость скорости ветра по градациям.

О перспективности участка территории для размещения автономной ВЭУ нельзя судить лишь по одной какой-либо «приоритетной» характеристике ветрового режима. В качестве таковой используют среднее значение скорости ветра, либо значение удельной мощности ветрового потока, которые приближенно характеризуют уровень ветроэнергопотенциала 8, 9. Согласно 13, достаточно полно оценить перспективность участка местности можно по комплексу благоприятствующих признаков, таких как:

малая длительность «энергетических затиший»;

возможно более продолжительный диапазон «энергоактивных» (рабочих) скоростей;

отсутствие или незначительная повторяемость ураганов (u > 33 м/с) и малое число буревых периодов;

малая изменчивость скорости ветра во времени.

При оценке энергетических ресурсов обычно рассматривают потенциальные, технические и экономические ресурсы. Под потенциальными ветроэнергоресурсами понимается суммарная энергия движения воздушных масс, перемещающихся за год на данной территории. Под техническими ветроэнергоресурсами понимается та часть потенциальных ресурсов, которая может быть использована с помощью имеющихся в настоящее время технических средств. Они определяются с учетом неизбежных потерь при использовании ветровой энергии.

Расчет ветроэнергетического потенциала для рассматриваемого пункта проводились с помощью номограммы. Как видно из расчетов, наибольшее количество энергии за счет ветра может быть получено в зимние месяцы, а точнее в декабре и январе. Это можно объяснить тем, что величина скорости ветра определяется интенсивностью атмосферной циркуляции. В холодный период вследствие близкого соседства областей высокого и низкого давления возникают большие горизонтальные градиенты давления. В это время ветры наиболее устойчивы по направлению и по силе. Наименьшее количество энергии наблюдается в летний период.

Следовательно наиболее удачным в ветроэнергетическом отношении является январь месяц.

Заключение