Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Часть 1.Определение ветроэнергетических ресурсов региона

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

В.В. ЕЛИСТРАТОВ

М.В. КУЗНЕЦОВ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

НЕТРАДИЦИОННОЙ И ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ

ЭНЕРГЕТИКИ

Часть 1

Определение ветроэнергетических ресурсов

региона

Методические указания

Санкт-Петербург

Издательство СПбГПУ

2003

УДК 620.92+621.311.24

Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Теоретические основы нетрадиционной

и возобновляемой энергетики. Ч. 1.Определение ветроэнергетических

ресурсов региона. Методические указания. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003 г.

Методические указания соответствуют программе дисциплины

«Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики»

специальности 100900 “Нетрадиционные и возобновляемые источники

энергии”.

Указания в сжатой форме знакомят студентов с современным состоянием

ветроэнергетики, общей оценкой ветрового режима и ветроэнергетических

ресурсов на территории РФ.

Даются основные понятия, определения и терминология, используемые в

практике ветроэнергетических расчетов по определению ветроэнергетических

ресурсов.

Основной задачей пособия является практическая помощь студентам в

выполнении и оформлении индивидуальной курсовой работы по определению

ветроэнергетических ресурсов конкретного региона РФ.

Пособие составлено на основе анализа существующих методик

определения ветроэнергетического потенциала. Студентам рекомендована

обобщенная, наиболее рациональная методика, позволяющая определить

ресурсы ветроэнергетики для любых регионов России и сделать проектное

предложение по первоочередной ВЭС в регионе.

Указания предназначены также для студентов инженерно-строительного,

электромеханического и факультета экономики и менеджмента, изучающих

курсы, связанные с использованием в энергетике нетрадиционных и

возобновляемых источников.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-

Петербургского государственного политехнического университета.

Санкт-Петербургский государственный

Политехнический университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

История развития ветроэнергетики насчитывает многие века, начиная с

использования паруса и ветряных мельниц. Однако лишь в 20 веке началось

крупномасштабное внедрение ветровых турбин, достигшее к концу века

мощности несколько миллионов киловатт. За последние 10-20 лет в результате

принятых политических решений и значительных капитальных вложений в

НИОКР и организацию производства рядом стран (Дания, США, Германия,

Голландия, Великобритания и др.) создана отрасль ветроэнергетики, которая

обеспечивает выработку электроэнергии при себестоимости 4-5 центов/кВт-ч.

Разработана широкая номенклатура ветроагрегатов с хорошими технико-

экономическими показателями. Единичная мощность сетевых ветроагрегатов в

последние 20 лет непрерывно возрастала и сейчас составляет 800-2000 кВт.

Преобладающей технологией освоения ветровых ресурсов является создание

ветропарков. Ведущими странами в этом являются США, Германия, Дания,

Индия, Голландия, Англия и др.

В настоящее время общая установленная мощность

ветроэнергетических парков, работающих в энергосистеме составляет свыше 15

тысяч МВт, что примерно в 2 раза превышает оптимистические прогнозы

начала 90-х годов.

Ветроэнергетика сегодня обеспечивает около 8 миллионов домов

электрической энергией, а также решает проблемы водоснабжения и ирригации

во многих странах мира. Одним из приоритетных направлений развития

ветроэнергетики должно явиться широкое внедрение в системы автономного

энергоснабжения (во многих странах от 40 до 70% населения проживает в зонах

автономного и децентрализованного энергоснабжения) и разработка более

экономичных ветроагрегатов на основе новых технологий преобразования

механической и электрической энергии.

Важнейшей составляющей развития любой отрасли энергетики является

определение ее ресурсного потенциала, выявления наиболее эффективных

"месторождений", определение возможный объемов использования данного

источника энергии. Применительно к ветроэнергетике это особенно актуально,

так как это ресурс, имеющий значительную вероятностную составляющую

прихода энергии. Поэтому в предлагаемых методических указаниях уделено

основное внимание определению ветроэнергетических ресурсов (потенциала)

как на общей территории региона, так и для конкретного места установки

ветроэнергетического агрегата или ветроэлектрической станции.

1. СОВРЕМЕННАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА,

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

1.1. Современные ветроэнергетические установки и

ветроэлектрические станции.

Использование энергии ветра на практике осуществляется с помощью

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (ВЭУ), в которых кинетическая

энергия ветрового потока преобразуется в механическую энергию вращения

ветроколеса, а затем в электрическую энергию генератора. В основном

используются традиционные ВЭУ башенного типа с горизонтальной осью

вращения ветроколеса. В настоящее время единичная мощность крупных

промышленных ВЭУ достигает до 2÷4 МВт, высота башни которых 60÷100 м, а

диаметр ветроколеса 60÷80 м. ВЭУ малой мощности для индивидуальных

потребителей и небольших хозяйственных объектов в настоящее время

используются во всех странах, мощность этих ВЭУ составляет от 0,1 кВт до 100

кВт.

Для энергетических целей наиболее распространены ВЭУ с единичной

мощностью от 100 кВт до 2000 кВт. На рис.1а в качестве примера показана

горизонтальноосевая ВЭУ датской фирмы «MICON» и ее характеристика

отдачи мощности от скорости ветра.

Основные параметры ВЭУ:

установленная (номинальная) мощность – N

ВЭУ

=400 кВт;

диаметр ветроколеса – D=31м;

высота башни – H=36 м.

На характеристике ВЭУ (рис.1б) указаны следующие характерные

значения скорости ветра:

=4 м/с – минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает

отдавать мощность;

=15 м/с – расчетная скорость ветра, при которой мощность ВЭУ

достигает значения, равного ее установленной мощности;

макс

=25 м/с – максимальная скорость ветра, выше которой ВЭУ

автоматически останавливается из соображений ее надежной

работы и срока службы.

Рис. 1а. Ветроэнергетическая установка MICON-400.

Рис. 2. ВЭС на побережье Северного моря (ФРГ),

ВЭС

=12,5 МВт (50 ВЭУ по 0,25 МВт).

Кроме того, каждая ВЭУ имеет еще одно характерное значение скорости ветра:

бур

– буревая скорость ветра, которую надежно выдерживает конструкция ВЭУ

(для остановленной и заторможенной ВЭУ типа “MICON” u

бур

=69 м/с).

Для выработки электроэнергии в промышленных масштабах проектируют

и строят ветроэнергетические парки, объединяющие на больших территориях

десятки и сотни ВЭУ. Эти ветровые парки являются современными

ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ (ВЭС), работающими в энергосистемах.

На рис. 2 в качестве примера показана ВЭС установленной мощности 12,5

МВт, состоящая из 50 ВЭУ с единичной мощностью 250 кВт каждая. ВЭС

расположена на побережье Северного моря в ФРГ.

Кроме системных ВЭС большое значение имеют автономные ВЭУ и

ВЭС, эксплуатируемые в удаленных районах децентрализованного

энергоснабжения, что особенно актуально для России в северных и восточных

регионах.

К 2002 году общая установленная мощность ВЭУ и ВЭС в мире достигла

около 30 тыс. МВт. К 2010 году прогнозируется увеличение до 150÷160 тыс.

МВт.

1.2. Виды ветроэнергетических ресурсов, их общая оценка.

В соответствии с зарубежной и отечественной классификацией и

терминологией различают три вида ветроэнергетических ресурсов [1-14]:

- теоретические ресурсы или ПРИРОДНЫЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

ПОТЕНЦИАЛ

- технические ресурсы или ТЕХНИЧЕСКИЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

ПОТЕНЦИАЛ

- экономические ресурсы – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ.

Природные ветроэнергетические ресурсы (природный

ветроэнергетический потенциал) это среднемноголетнее годовое значение

ветровой энергии движения воздушных масс над данной территорией. Согласно

[5] он может составлять 1,5-2,5 % солнечной энергии, поступающей на Землю,

которая непрерывно превращается в кинетическую энергию воздушных

течений в атмосфере. Согласно этой глобальной общей оценке Россия, площадь

Рис. 3. Природные потенциальные ветроэнергетические ресурсы России (вт/м

)

(левая часть)

20 40 60

826

950

1150

940 940

843

984

900

960

800

980

1084

1150

1008

1580

1350

950

1022

889

930

940

900

800

782

630

830

730

690

830

380

350

380

350

545

700

779

800

340

357

240

340

500

600

800

500

1090

542

1080

370

460

240

190

240

700

600

500

700

842

960

240

290

450

600

1130

980

1230

1160

470

915

780

900

220

200

226

240

351

200

250

300

320

370

320

260

250

300

400

240

260

300

538

362

512

450

560

300

290

270

300

500

450

240

300

240

300

250

240

360

592

372

440

290

240

190

240

290

450

440

450

290

340

240

290

240

450

350

190

240

230

450

620

440

430

450

350

240

350

290

230

180

420

470

440

480

350

450

340

350

290

180

350

240

290

250

190

600

599

380

350

250

240

350

250

190

350

370

470

370

600

420

450

500

190

566

500

450

710

430

450

1580

740

1928

2170

450

350

450

350

450

570

430

370

390

430

450

550

350

400

360

420

300

420

400

490

350

390

360

350

480

700

600

650

600

700

500

350

360

450

600

430

680

520

600

680

890

740

330

350

510

710

700

440

740

880

727

520

340

250

220

170

175

170

210

190

230

356

1580

2250

2280

1615

2250

2000

1857

340

260

290

230

140

403

930

950

960

Рис. 3. Природные потенциальные ветроэнергетические ресурсы России (вт/м

)

(правая часть)

100

120

140

160 180

100

120

750

290

380

300

300 300300

260

190

200 200 180

180

120

100

120 120 100

260

210

170

160

200

260

390

470

180

120

100

170

250

387

100

110

150

130

460

480

400

360

110

150

190

200

110

100

320

265

100

180

130

110

100 90 100

100

180

190

200

170

120

100

200

230

160

80110

100

120

110

120

100

180

250

270

120120140

190

474

100

110

100

130

100

120

110

270

310

350

410

460

430

130

150

140

150

200

220

240

100

120

160

120

100

110

130

170

200

723

721

768

625

2368

1645

1312

1388

1702

774

400

800

510

583

604

1069

1059

1294

1509

660

1060

1909

1340

750

400

1303

370

1463

1237

680

1237

895

250

230

220

210

320

230

1180

550

1160

895

735

944

571

893

220

260

180

200

350

220

290

460

500

380

480

410

330

430

260

170

400

556

751

363

960

633

100

180

120

100

190

1035

100

130

150 130

150

270

250

160

130

100

110

100

160

120

110

240

420

590

650

210

260

320

470

590

2238

675

916

545

568

960

1852

1224

1658

939

1544

1105

394

448

670

814

250

510

300

310

596

370

583

419

1030

1378

606

409

490

577

728

364

1131

550

850

800

750

720

740

760 700

640

550

460

380

420

460

560

640

660

680

863

1100

900

1100

1150

950

840

1223

891

967

1060

911

633

933