Сравнительная оценка энергоэффективности вертикальнои горизонтальноосевых ветроэнергетических установок на ограниченной территории ветропарка

Наибольшее распространение среди ветроэнергетических установок (ВЭУ) получили установки с горизонтально-осевым [1] (ГО ВЭУ) и вертикально-осевым (ВО ВЭУ) [2] приводом вет-роколеса, причем каждый из этих классов ВЭУ имеет свои достоинства и недостатки [3]. Применительно к Уральскому региону часто приходится сталкиваться с ограниченностью территории ветропарка [4], что неизбежно влечет за собой необходимость рационального выбора типа ВЭУ с целью обеспечения максимальной эффективности работы группы ветроустановок. В частности, примером такой «ограниченной» территории может служить база отдыха ЮУрГУ, расположенная в поселке Непряхино Челябинской области, которая в рамках проводимых на кафедре электротехники и возобновляемых источников энергии ЮУрГУ исследований рассматривается в качестве перспективного полигона для создания ветроэнергетической станции (ВЭС) на базе группы ВЭУ. Для этого в данной местности были проанализированы скорости ветра и частота его возникновения [5]. Результаты исследований однозначно указывают на целесообразность размещения ветроустановок на территории поселка Непряхино.

Однако для окончательного решения вопроса о выборе типа ВЭУ необходим сравнительный анализ эффективности установок с вертикальноосевым и горизонтально-осевым расположением ветроколеса по критерию их энергетической эффективности на ограниченных площадях ветропарка.

Теоретическая часть

При проведении теоретических исследований в качестве базовых были выбраны ВО ВЭУ производства ГРЦ «Вертикаль» [6] и ГО ВЭУ совместной разработки ГРЦ и кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии ЮУрГУ, имеющие примерно идентичные характеристики (см. таблицу). При расчетах расстояние между соседними ВЭУ принималось равным 10 м [7–10]. Распределение ветра по всем направлениям на территории ветропарка считалось равновероят- ным.

Тогда в соответствии с выражением [11]:

( 1000 Y

N = 1 —- I ( n • D )

в случае расположения ВЭУ в узлах квадратной сетки со стороной квадрата n · D на 1 км² земельной площади можно разместить N =865 единиц ВО

Технические характеристики ВЭУ

Тип ВЭУ	Мощность, кВт	Ометаемая площадь, м2	Диаметр D ветроколеса, м
ВО ВЭУ производства ГРЦ «Вертикаль»	3,0	12,92	3,4
ГО ВЭУ производства ГРЦ «Вертикаль» и кафедры ЭВИЭ ЮУрГУ		12,8	4,0

ВЭУ и N =625 е ди н и ц Г О В Э У . Зде с ь n – расстояние между соседними ВЭУ.

Если ВЭУ располагать в узлах правильной треугольной сетки со сторонами треугольника n·D, то согласно

N = 2,

,

на 1 км² з е м е л ьной п л оща д и м ож но ра з м е с тить 99 9 единиц ВО ВЭУ и 721 ГО ВЭУ.

Т а ким обра з ом , ис пол ьз ов ание ВО ВЭ У по зв ол яе т эффе кт ивне е исп ол ьз ов а ть з е м е л ьн ы е пл оща ди , отв од им ые под с троите л ьств о гр у п пы в етро ус танов ок, че м в с л у ча е прим е нен ия ГО ВЭУ.

Однако основным к рит ер ием э ф ф ек тивн о с ти р аб о т ы г рупп ы вет р оус т а н о во к все же явл я е т ся о т д аваем ая мо щн о ст ь , к о т о ру ю о ни мо гут о б ес п ечит ь д л я э ле к т р о с н а б ж ени я п о т р е б ит е ле й . Д ля т ог о , что б ы оц е ни т ь эн ер г е т ич ес кую э ф ф ект ив н о ст ь р а б о т ы г рупп ы В О В ЭУ и г рупп ы Г О В ЭУ, со ст о ящ их из ВЭУ мощностью 3 кВт, р ассч и т аем п о тенци а льн о во змо ж ную мо щ н о с т ь (но ми н а льн а я мо щ н о с т ь В ЭУ п ри ма к с и ма ль н о д опу сти мо м ( н о м и нальн о м) вет р о во м пот о к е) Г О В ЭУ по извес тн ой ф о р м уле для ВЭУ пропеллерного типа [12]:

Р вЭУ =п| 2 D Ь 2 p V ³< V ) - П ре д ( V ) -П ген ( V ) ,   (3)

где p - плотность воздуха (принимаем равной 1,2041 кг/м3), ^ - максимально возможный коэффициент использования удельной мощности ветрового потока ветроколесом ВЭУ (равен 0,42-0,46 для ГО ВЭУ [7, 8, 13] и 0,43 для ВО ВЭУ производства ГРЦ «Вертикаль»), ηред – КПД редуктора, ηген – КПД генератора равно (величины ηред и ηген в диапазоне скоростей ветра от 5 м/с до 25 м/с зависят слабо от скорости ветра V, поэтому принимаем их постоянными величинами ηред=0,9, ηген=0,95). Таким образом, получаем характеристики, приведенные на рис. 1.

С учетом полученных потенциально возможной мощности P ВЭУ и максимально допустимой плотности размещения ВЭУ в составе ветроэнергетической станции (ВЭС), максимальная полезная суммарная мощность, развиваемая ВЭУ, установленными на площади 1 км² определяется из соотношения [14]:

р -0 91. Г 1000 1р

^Р ВЭС = 0,⁹¹ I I ^Р ВЭУ .

V n )

Таким образом, получаем характеристики, представленные на рис. 2.

Следовательно, удельная мощность группы ВО ВЭУ при среднегодовых скоростях ветра на рассматриваемой территории больше удельной мощности группы ГО ВЭУ.

С учетом реальных ветровых условий, развиваемая ВЭУ мощность PВЭУ имеет вид:

Г1,/'

^Р ВЭУ = ^П 1 2 D I ^х

^X ^ V Б^УР 2 p V ³ ' f ( V ) ' ^ ( V ) ' П ред ' П ген d^V ,     ⁽⁵⁾

где 2Р V — удельная мощность ветрового потока с плотностью воздуха р и скоростью V, п ред и

П _ген - КПД редуктора и генератора ВЭУ соответственно; ξ(V) – реальный, практически достигаемый современными ВЭУ коэффициент использования удельной мощности ветрового потока с плотностью воздуха ρ и скоростью V .

При этом величина ξ( V ) более существенно, а η ред и η ген менее существенно зависят от скорости ветра V и нагрузки. Для упрощения расчета примем для ВО ВЭУ ξ( V ) = 0,43; для ГО ВЭУ

Рис. 1. Сравнение потенциально возможных мощностей для вертикально-и горизонтально-осевых ветроэнергетических установок мощностью 3 кВт

Альтернативные источники энергии

ξ( V ) = 0,44.

Т а ким обра з ом , дл я ГО ВЭ У P ВЭУ = 300 Вт/м², для ВО ВЭУ P ВЭУ = 217 Вт/м².

Уче т ре а л ьны х в е тров ы х у сл ов и й м ож ет бы ть пров е де н с испол ьз ов ание м ка кого-либо аналитического распределения f (V ) , и з которых на иб ол ее простым и наглядным дл я а н а лиз а пре д став ляе тс я распределение Максвелла [15]: f ( V ) = (0,5 • V • п ) / Уф • exp { 0,25 • п- ( V/V ,) 2 } . (6)

В р ам к а х в ыб р а нных моде л е й оц е нки реа л ьн о во з мож ных з наче ний п ол ез ной м о щно с ти P ВЭУ совреме нн ых ВЭУ с вод ятс я к параме т рич е с ки м расче т а м при разных значениях V _ср в рас п реде ле нии f ( V ) .

И сп оль з уя д ан н ы е ср едн е го д о вых ск о р о с т е й вет р а дл я р ассмат ри ва емо й местн о с т и , п р и мем V ср = 3 ,7 м/ с. Т ак им о б р азом, р асп р ед е ле ни е М а ксвелла f(V ) в д иапазо н е с к о р о ст ей вет р а о т 0 м/с д о 15 м /с и мее т с ледующи й в и д, п о к а занн ый н а рис. 3.

Полученные результаты говорят о том, что удельная мощность ВЭУ PВЭУ(V) с заданной ско- ростью регулирования Vр монотонно растет с ростом средней скорости ветра Vср, достигает максимума Pmax(V) примерно при значениях аргумента Vср ≈ Vр и при дальнейшем росте Vср при Vср > Vр медленно убывает.

С учетом полученных с использованием (5) результатов, максимальная суммарная мощность, развиваемая установленными на площади 1 км2 современными ВЭУ при скоростях ветра порядка скоростей их регулирования и при максимально допустимой плотности их размещения в составе ВЭС, определяемой выражениями (1) и (2), по выражению (4) составляет:

• >    для ГО ВЭУ: Р_ВЭС = 2,7 МВт/км²;

• >    для ВО ВЭУ: Р _вэс = 1,9 МВт/км².

Однако учитывая то обстоятельство, что на одинаковом по площади участке территории вертикально-осевых установок в составе ВЭС можно разместить примерно в два раза больше (рис. 4) (за счет размещения ветроколеса на мачтах различной высоты и сокращения расстояния между соседними ВЭУ), то и удельный показатель съема энергии

Рис. 2. Сравнение P ВЭС для вертикально- и горизонтально-осевых ветроэнергетических установок

Скорость ветра, м/с

Рис. 3. Распределение скоростей ветра f(V) в пос. Непряхино

Рис. 4. Горизонтально- и вертикально-осевые ветроэнергетические установки в составе ветропарка

с 1 м2 также увеличится.

Следовательно суммарная выработка ВО ВЭУ на 1 км² в составе ВЭС при n = 5 диаметрам ветро-колеса составляет P _ВЭС = 7,9 МВт/км².

Выводы

• 1.    При размещении ВЭУ на мачтах разной высоты, группа ветроустановок, состоящая из ВО ВЭУ на ограниченной территории при меньшей скорости ветра сможет обеспечить в три раза большую, нежели при использовании ГО ВЭУ, мощность для электроснабжения потребителей, что является необходимым критерием для работы ВЭС на территории Южного Урала.

• 2.    Применение ВО ВЭУ позволяет получать электрическую энергию даже при малых скоростях ветра (3–5 м/с), преобладающих на рассматриваемой территории Южного Урала, в то время, как ГО ВЭУ обеспечивают требуемую мощность только при номинальном значении скорости ветрового потока.