Ресурсы ветроэнергетики

Ветер на различных высотах в атмосфере Земли для каждой точки ее поверхности характеризуется его скоростью, которая, строго говоря, является случайной переменной в пространстве и времени, зависящей от многих факторов местности, сезона года и погодных условий. Все процессы, напрямую связанные с использованием текущего значения скорости ветра, в частности, производства электроэнергии в ветроэлектрических установках, имеют сложный случайный характер. Их характеристики обладают статистическим разбросом и неопределенностью средних ожидаемых значений. Поэтому на современном уровне исследований задача их оценки формулируется как создание вероятностного описания случайного процесса посредством разбиения всего временного процесса на отдельные временные интервалы, в пределах каждого из которых можно использовать приближение стационарности, т.е. независимости всех определяемых параметров от времени. В качестве периода стационарности могут быть приняты различные временные интервалы с соответствующей точностью описания в зависимости от реальных условий случайного процесса. В частности, в некотором приближении можно считать процесс стационарным во всем рассматриваемом промежутке времени, например, в течение года.

Для систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе с целью ее эффективного энергетического использования, как правило, разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также целесообразные параметры и режимы работы ветроэнергетических установок.

Основными характеристиками кадастра, определяющими потенциал ветроэнергетики, являются:

· среднепериодная скорость ветра;

· удельная мощность ветрового потока;

· ветроэнергетические ресурсы региона.

Скорость ветра измеряют на метеорологических станциях, данные публикуются в специальных ежемесячниках. На большинстве метеостанций показания приборов, измеряющих скорость ветра, регистрируют восемь раз в сутки с интервалом три часа или шесть раз, через четыре часа. Эти показания дают возможность получить достаточные сведения о среднепериодных скоростях: за сутки, месяц и год. Среднее значение скорости ветра для данного периода наблюдений:

(2.1)

где V_i – измеренное значение скорости ветра, n – число замеров за период.

Ветер не обладает постоянной скоростью и направлением, наблюдаются интервалы более слабого и более сильного ветра. Это называется порывистостью ветра. Чем сильнее ветер, тем это явление выражено резче.

Скорость ветра в приземном слое атмосферы в основном определяется интенсивностью развития турбулентных процессов с вихревыми образованиями самых разных размеров. При весьма малых скоростях ветра (1-2 м/c) поток воздуха может быть ламинарным, т.е. состоящим из параллельных, несмешивающихся друг с другом струй.

Для оценки изменчивости скорости ветра служит коэффициент вариации. Для конкретного периода его можно определить по формуле:

(2.2)

Скорость ветра, как правило, возрастает с высотой. Вблизи земной поверхности движение воздуха задерживается благодаря трению, создаваемому неровностями подстилающей поверхности. При сопоставлении значений скорости ветра необходимо учитывать высоту измерения и условия открытости объекта. Если скорость ветра измеряется на разных высотах, то привести эти данные к одной величине можно по формуле

(2.3)

где V_H и V_h - значения скорости ветра на высоте измерения H и h; m - показатель степени, зависящий от подстилающей поверхности и ряда других факторов.

Рельеф местности создает так называемые местные ветра. Если воздушный поток встречает на своем пути препятствие в виде горы, холма, строений, деревьев, то происходит вынужденное обтекание его и в результате значительно изменяются направление и скорость ветра, а также его структура: возникают завихрения, увеличивается турбулентность. Над возвышенностью скорость ветра увеличивается.

В условиях, когда необходимо учитывать влияние рельефа местности и препятствий на скорость ветра, проводят анемометрические разведки. При этом необходимо проводить замеры скорости ветра и сравнивать их с данными соседней метеостанции с целью получения переводных коэффициентов для приблизительной оценки среднего ветрового режима. Данные анемометрических разведок могут служить основанием для выбора места для ветроустановки.

Средние скорости ветра существенно меняются в течение суток, месяца и сезона. В соответствии с этим различают суточный, месячный, сезонный и годовой ход скорости ветра.

На земной поверхности в суточном ходе скорости ветра минимум наблюдается в ночные часы, когда ветер часто ослабевает до штиля. После восхода солнца ветер обычно усиливается, и скорость его достигает максимума в 13-14 часов. Затем скорость ветра снова уменьшается. Изменение скорости ветра днем происходит быстрее, чем ночью. Такой характер суточного хода скорости ветра наблюдается в слое около 100 м летом и около 50 м зимой.

Годовой ход скорости ветра зависит от климатических условий. В умеренных широтах Северного полушария максимум скорости ветра наблюдается в зимнее время года, минимум – летом. Объясняется это тем, что в зимнее время контрасты температур между экватором и полюсом больше, чем летом, и соответственно больше горизонтальных барических градиентов, которые являются силой, приводящей в движение массы воздуха.

Мощность ветрового потока Р, протекающего со скоростью u через поперечное сечение F, определяется по известной зависимости :

,

Здесь r» 1,226 кг/м³ - плотность воздуха при t = 15 °С.

Удельная мощность ветрового потока Р_уд, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения (1 м²) соответственно равна

. (2.4)

Средняя удельная валовая мощность ветрового потока может быть рассчитана по выражению:

, (2.5)

где β и γ - параметры масштаба и формы в функции Вейбулла; Г - гамма-функция.

При расчете требуется знать только два параметра (β и γ) функции Вейбулла и не нужно рассчитывать поле значений t_iV_i. При этом ошибка определения не превышает 3÷4%, что допустимо для предварительных оценочных расчетов.

Параметр масштаба β зависит от средней скорости ветра u_cр и параметра формы γ. Численно он равен средней скорости ветра с вероятностью 0,368 и определяется по формуле:

. (2.6)

Географическое распределение β по территории страны соответствует распределению u_ср. Замечено, что наибольшие значения параметра β характерны для возвышенных мест, побережья, водоемов и степных пространств.

Параметр формы γ является мерой относительного разброса скоростей ветра вокруг среднего их значения u_ср. Чем выше значение γ, тем более ровный ход скоростей ветра наблюдается в данном пункте территории. Малые значения γ указывают на то, что здесь наблюдается большое количество штилей. При прочих равных условиях величина γ для открытых участков имеет большие значения.

При оценке ресурсов ветроэнергетики рассматривают три вида потенциалов: валовый, технический и экономический.

Валовый (теоретический) потенциал ветровой энергии региона (страны или континенты) – это часть среднемноголетней суммарной ветровой энергии, которая доступна для использования на площади региона в течении одного года.

Технический потенциал ветровой энергии региона – это часть валового потенциала, которая может быть получена в виде электрической энергии при современном уровне развития техники и соблюдении экологических норм.

Экономический потенциал ветровой энергии региона – это часть технического потенциала, использование которой экономически оправдано при современном уровне цен на ветроэнергетические установки (ВЭУ), строительно-монтажные работы, транспортировку и распределение электроэнергии и топлива.

На основе данных по отводу площадей для размещения ВЭУ и их технических характеристик в ведущих странах мира для текущей оценки принимается, что технический потенциал ветровой энергии региона составляет 2% от его валового потенциала, а экономический – 0,5% от технического потенциала.

Валовый энергетический потенциал ветрового потока представляет собой суммарную энергию движущихся воздушных масс, перемещающихся над определенной территорией. Величину этой энергии можно оценить, исходя из гипотетической теории "ветровых плотин", представляющих собой протяженные, ориентированные на ветер конструкции. Из аэродинамики известно, что при обтекании препятствия высотой Н возмущенный ветровой поток восстанавливается на расстоянии около 20Н. Поэтому, если предположить, что вертикальный профиль ветрового потока постоянен, то энергия ветра, приходящаяся на единицу площади, не зависит от высоты Н, и на 1 км² поверхности земли будет приходиться энергия ветра, проходящая через 1/20 км поперечного сечения ветрового потока.

Тогда валовый ветроэнергетический потенциал 1 км² территории определяется из выражения:

. (2.7)

Т=8760 ч. - число часов в году;

S=1 км².

А для территории площадью S_т: .

Ветроэнергетические ресурсы России приведены в таблице 2.1.

Таким образом, на современном этапе развития техники за счет ветроэнергетики можно экономически эффективно обеспечить до 25% электропотребления страны.

Таблица 2.1