XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Население территорий Севера проживает в малых населенных пунктах. Здесь есть специфические объекты, такие как маяки, пограничные заставы, метеорологические станции, объекты специального назначения, характеризующиеся небольшим потреблением энергии и топлива, но при этом нуждающиеся в высокой надежности снабжения энергией. Такие потребители заинтересованы во внедрении ветроэнергетики в виде маломасштабных ветроэнергетических установок (ВЭУ) с разной степенью надежности [1].

Оценку потенциала установки ветроэлектростанций обычно выполняют на основе данных о скорости ветра, измеренных на метеостанции на высоте 10-12 м. Высота же установки ротора турбины ВЭУ зависит от диаметра ветроколеса и обычно составляет не менее 50 м. Данные о значениях скорости ветра на высотах могут быть получены при аэрологическом зондировании. Целью работы является оценка потенциала установки ветроэлектростанции в арктической части территории России на примере острова Диксон. Расчеты выполнены для различных сезонов, времени суток и высот установки ветроколес. Основу расчетов составили значения скорости ветра на высоте 50 м и 100 м за 2017-2021 гг. на аэрологической станции остров Диксон [2]. По выбранным значениям были построены графики зависимости мощности ВЭУ от скорости ветра и диаметра ветроколеса, вычислено и представлено в виде таблицы количество ветроэнергетических установок в зависимости от диаметра ветроколеса и выбранной площади.

Мощность ВЭУ при заданной скорости ветра и диаметре ветроколеса определяется соотношением:

где – установленная мощность ВЭУ, Вт;

D – диаметр ветроколеса, м;

V – скорость ветра, м/с;

p– плотность воздуха, кг/м3

Ср – коэффициент использования энергии ветрового потока;

– суммарный КПД механических (редуктор, подшипники, и т.п.) и электрических (генератор, трансформатор и т.п.) элементов силового тракта ВЭУ.

Количество ветроэнергетических установок, которые входят в состав ветроэнергетической системы, определяется по выражениям:

а)  рядами на одинаковом расстоянии друг от друга:

где S – количество земли, которое отводится для строительства ВЭС;

– площадь территории, занимаемая одной ВЭУ, где А и B – коэффициенты, показывающие расстояние между ВЭУ в ряду и между рядами в зависимости от диаметра ветроколеса таким образом, чтобы не создавать зон аэродинамического затенения на ВЭС;

б) в шахматном порядке

Очевидно, что чем ближе расположены ВЭУ друг к другу, тем большее аэродинамическое влияния они оказывают друг на друга. Для исключения взаимного влияния ВЭУ необходимо располагать их на расстоянии k диаметров ветроколеса друг от друга (обычно k=10-12) [3].

Для анализа скорости ветра были взяты значения за 2017-2021 гг. на аэрологической станции остров Диксон на высоте 50 м и 100 м за два срока – в 0 и 12 часов. На их основе были оценены средние сезонные значения скорости ветра: в январе, апреле, июле и октябре.

На высоте 50 м самое большое значение скорости ветра в октябре составило 6.4 м/с в ночное время и 7.4 м/с в дневное. Самый слабый ветер со средней скоростью 5.3 м/с ночью и 6.2 м/с днем наблюдался в июле. На высоте 100 м самое большое значение скорости ветра в октябре равняется 6.5 м/с для 0 ч и 7.8 м/с для 12 ч, самое маленькое значение скорости ветра в июле равняется 6.1 м/с для 0 ч и 7.1 м/с для 12 ч.

По полученным расчетам можно сделать вывод, что наибольшая мощность ВЭУ будет в октябре при установке ВЭУ на высоте 100 м, самая маленькая мощность - в июле при установке ВЭУ на высоте 50 м.

Для расчета конкретных значений мощности ВЭУ использованы данные, представленные в таблице 1. Диаметр ветроколеса задавался стандартным для мировой практики значением от 50 до 100 м с шагом 10 м [4].

Таблица 1. Исходные данные для расчета

Параметр	Данные
Диаметр ветроколеса – D, м	50–100 м с шагом 10 м
Плотность воздуха – p,	1,23
Коэффициент использования энергии ветрового потока – Ср	0,45
Суммарный КПД механических и электрических элементов силового тракта ВЭУ –	0,9
Площадь территории для размещения ветроустановок на суше	100 га, или 1

Были построены графики, приведенные на рис. 1, которые показывают зависимость рассчитанной мощности ВЭУ от диаметра ветроколеса и средней скорости ветра по сезонам.

а) б)

в) г)

Рис.1 . Зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра и диаметра ветроколеса на станции остров Диксон а) 00z на высоте 50 м, б) 00z на высоте 100 м, в) 12z на высоте 50 м, г) 12z на высоте 100 м.

Из графиков на рис.1 видно, что при применении ветроколес диаметром от 50 до 100 м и при всем существующем диапазоне скоростей ветра на территории острова Диксон мощность одной горизонтально-осевой ветроэнергетической установки (на суше) колеблется в диапазоне от 0,08 до 0,9 МВт. Наибольшее значение мощности будет наблюдаться в 12 ч в октябре при диаметре ветроколеса 100 м, установленном на высоту 100 м.

Рассмотрим случай, когда площадка для размещения ВЭС равна 100 га или 1 , используемая схема размещения ВЭУ – 10х10 диаметров ветроколеса. В таблице 2 показаны результаты расчета количества ветроэнергетических установок, которые можно разместить на заданной территории площадью 1 , при заданных диаметрах ветроколеса.

Таблица 2. Количество ветроэнергетических установок в зависимости от диаметра ветроколеса, которые можно разместить на территории площадью 100 г.

D ветроколеса, м	Количество ветроустановок, шт
	Рядами на одинаковом расстоянии друг от друга	В шахматном порядке
50	4	5
60	3	3
70	2	2
80	2	2
90	1	1
100	1	1

Из таблицы 2 видно, что с увеличением диаметра ветроколеса количество ветроэнергетических установок для размещения на заданной территории уменьшается от пяти до одной.

Использование такого рода установок принципиально важно в регионах Крайнего Севера или Дальнего Востока, где скорость ветра высока и практически полностью отсутствует какая-либо энергетическая инфраструктура.

Список литературы

К.И. ХомутоваИспользование ветроэнергетических установок в условиях крайнего севера//Вестник магистратуры. 2019. № 3-1(90).

University of Wyoming – Режимдоступа: https://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html

Пашковская Е.Е., Сивеев Т.М., Дубина Д.С., Ильин С.В. Разработка схемы размещения ветряной энергоустановки на площадке ветроэлектростанции.оценка выработки ветроэлектростанции// Современные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации– 2021. – С. 83 - 85.

Р.Д. Мингалеева, В.В. Бессель, И.М. Губкина Методика оценки суммарной мощности ветроэлектростанции // ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ. – 2014. – № 9. – С. 82 - 86.

Носкова Е.В. Оценка ветроэнергетического потенциала на территории забайкальского края // Вестник ЗабГУ. – 2015. – № 7. – С. 12 - 19.

Код для цитирования: Скопировать