Теория использования энергии ветра. Запасы энергии ветра и их использование

Недостатком официальных метеоданных о скорости ветра и его продолжительности является то, что большинство метеостанций расположено вблизи аэропортов и городов, то есть, в местах, возможно наиболее защищенных от ветра. Кроме того, характеристики ветра регистрируются на стандартной высоте 10 м, то есть, не учитывается его вертикальное изменение.

Учитывая, что скорость ветра может быть больше скорости, регистрируемой метеостанциями, для выбора мест размещения и расчета параметров ветроэнергетических установок необходимо проводить местные наблюдения.

В отношении второго недостатка следует отметить, что автономные ветроустановки малой мощности имеют именно такую высоту – 10 метров. Однако более мощные ветроустановки, включающиеся в системную энергетику, имеют гораздо большую высоту. Мало того, считается, что их ветроколеса должны располагаться на высоте 100 метров, где скорость ветра достаточно большая и менее всего подвержена кратковременным порывам.

Скорость ветра на поверхности Земли равна нулю, а затем с увеличением высоты до 100 метров растет приблизительно по логарифмической зависимости /9/.

(6.1)

где v_h – скорость ветра на высоте h, м/с;

v – характерная для данного времени и места скорость, м/с;

h – высота, м;

h₀ – смещение нулевого уровня скорости ветра, то есть, расстояние над поверхностью Земли, где скорость еще равна нулю, м;

h_ПР – высота препятствий, м.

Как правило, оси пропеллерных ветроустановок находятся на высоте 5 – 50 метров. Для такой высоты можно пользоваться упрощенной формулой, аппроксимирующей выражение (6.1) /9/:

(6.2)

где v₁₀ – скорость ветра на высоте 10 м;

b – эмпирический коэффициент.

Чем меньше значение b, тем равномернее нагрузка на лопасть ветроколеса в верхнем и нижнем положениях. Для открытой местности b ≈ 0,14. Для разного времени года значения коэффициента b различны, поэтому формулу (6.2) следует применять осмотрительно и только для высот не более 50 метров.

На рисунке 6.2 показана передаваемая ветроустановкой энергия в зависимости от рабочей скорости для двух регионов России со средними скоростями ветра 2 и 6 м/с /5, 6/.

Рисунок 6.2. Передаваемая ветроустановкой энергия

Как видно из приведенного графика, функция вырабатываемой энергии зависит от распределения скоростей ветра и имеет явно выраженный максимум. Это свойство используется для системных ветроэнергетических установок.

Для автономных ветроустановок нельзя делать вывод, что скорость ветра, при которой выработка энергии максимальна, будет наилучшей, так как при этом остаются не выясненными затраты на аккумулирование энергии. В общем случае может оказаться, что при скорости ветра, обеспечивающей максимальную выработку энергии, будут достаточно длительные нерабочие периоды, требующие увеличения мощности ветроустановки и затрат на аккумулирование, и приводящие к увеличению общих затрат на электроснабжение.

Энергетические и штилевые периоды являются случайными величинами, поэтому имеет смысл говорить только о вероятности продолжительности этих периодов.

В общем случае вероятности того, что продолжительность энергетического или штилевого периодов будут находиться внутри заданного интервала, зависят от закона распределения этих величин. В частности, если эти продолжительности распределены по нормальному закону, можно записать /5, 6/:

(6.3)

(6.4)

где: Т – количество дней в году со скоростью ветра не ниже рабочей, сут;

– математическое ожидание непрерывно идущих дней со скоростью ветра не меньше рабочей (продолжительность энергетических периодов), сут;

– математическое ожидание непрерывно идущих дней со скоростью ветра меньше рабочей (продолжительность штилевых периодов, требующих работы аккумулятора), сут;

s_Э, σ_А – стандартное отклонение соответствующего параметра (t_Э, t_А), сут;

Ф(Х) – функция Лапласа.

Математические ожидания энергетического и штилевого периодов являются функциями рабочей скорости ветра по определению. Вероятность энергообеспечения на основе ветроэнергетической установки определяется вероятностью того, что в течение периода не меньше t_Э будет иметь место ветер со скоростью не меньше рабочей, а скорость ветра ниже рабочей будет наблюдаться в течении периода не больше t_A.

Дата добавления: 2014-01-06