Уравнения для определения энергетических и аккумуляторных периодов ветра в Ростовской области
Автор: Воронин Сергей Михайлович, Закиров Илья Валерьевич, Закиров Федор Валерьевич
Журнал: Вестник аграрной науки Дона @don-agrarian-science
Рубрика: Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование
Статья в выпуске: 2 (26), 2014 года.
Бесплатный доступ
Описан способ получения уравнений для определения частоты появления непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов ветра в Ростовской области, включающий в себя статистическую обработку данных о скорости ветра за последние 15 лет средствами приложения Microsoft Office Excel. Предлагается использовать эти уравнения для определения параметров автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом.
Ветроустановки, автономные ветроэлектростанции, энергетический период, аккумуляторный период, скорость ветра, случайная величина, частота появления, статистическая обработка, ветроэнергопотециал, закон распределения
Короткий адрес: https://sciup.org/140204285
IDR: 140204285
Текст научной статьи Уравнения для определения энергетических и аккумуляторных периодов ветра в Ростовской области
Сейчас все сильнее проявляется интерес к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), особенно к энергии ветра и энергии солнечного излучения. Традиционные источники энергии, такие как углеводородное топливо, атомная энергия и энергия водных ресурсов, имеют ряд недостатков, которые и заставляют человечество все больше использовать ВИЭ. Среди всех недостатков традиционных источников энергии, в первую очередь, следует выделить следующие: ограниченный запас углеводородного топлива, сильное загрязнение окружающей среды, катастрофические последствия в случае аварий на атомных станциях.
Использование энергии ветра является одним из наиболее развитых направлений ВИЭ. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) могут обеспечить электричеством как отдельные дома, так и небольшие поселки. Сегодня ветроэнергетика является сектором энергетики более чем в 50 странах мира. Суммарная мощность 150 тыс. ВЭУ в составе сетевых ветростанций на конец 2009 г. составила 159 ГВт. За 2009 г. в эксплуатацию было введено
39 ГВт ВЭУ, их установленная мощность по сравнению с концом 2008 г. (120 ГВт) выросла на 32%. Выработка ими электроэнергии в 2009 г. достигла 324 ТВт×ч. [1].
ВЭУ могут использоваться в случае отсутствия сетевой электроэнергии (фермерские хозяйства, дачные участки, пасеки и др.), а также служить резервным источником электроснабжения. Как правило, маломощные автономные ВЭУ генерируют постоянный ток для заряда аккумуляторных батарей [2]. Особенно перспективно применение ВЭУ в автономных системах электроснабжения.
При выборе мощности ВЭУ для автономного электроснабжения какого-либо объекта, а также емкости аккумуляторной батареи или мощности резервного источника, важнейшую роль играет оценка вет-роэнергопотенциала той местности, где предполагается установка ветроагрегата [3]. Это связано с тем, что ветер – один из наиболее изменчивых метеорологических элементов. Оценкой вероэнергопотенциала занимаются ученые во многих странах мира [4, 5].
Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению и сильно зависит от высоты над уровнем земли [6, 7]. Однако в России есть регионы, где возможность экономически выгодного использования энергии ветра не вызывает сомнений [8].
В случае использования автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом необходимы данные о продолжительности непрерывных энергетических периодов (периоды со скоростью ветра большей либо равной рабочей скорости ВЭУ) и аккумуляторных периодов ветра (периоды со скоростью ветра меньше рабочей скорости ВЭУ). Несмотря на то, что такие сведения в метеорологических справочниках не приводятся, имеющиеся данные метеостанций о погоде, в том числе и о скорости ветра, позволяют определить интересующие нас параметры (продолжительность непрерывных энергетических (t Э ) и аккумуляторных (t А ) периодов).
Энергетические и аккумуляторные периоды являются случайными величина- о вероятности продолжительности этих периодов. В общем случае вероятности того, что продолжительность энергетического или аккумуляторного периодов будет находиться внутри заданного интервала, зависят от закона распределения этих величин [9]. Исходя из этого, в данной работе была сделана попытка определить закономерности распределения этих периодов.
Для определения закона распределения t Э и t А использовался архив погоды в Ростове-на-Дону с 1999 г. по 2013 г. [10]. Скорость ветра, как и другие данные о погоде, измерялась через каждые три часа, т.е. восемь раз в сутки. Однако в имеющемся архиве в некоторых случаях отсутствует информация о погоде за периоды от шести часов до пары дней, поэтому было принято решение исключить эти периоды из общего массива данных и считать, что периоды с известной скоростью ветра непрерывны. В результате были получены графики ветра по месяцам, пример такого графика для сентября 2009 г. представлен на рисунке 1.
ми, поэтому имеет смысл говорить только
Рисунок 1 – График ветра для сентября 2009 года
Каждому графику соответствует набор данных о скорости ветра, представленный в виде таблицы приложения Microsoft Office Excel (таблица 1). Для нахождения t Э и t А были написаны макросы на языке VBA (Visual Basic for Applications), которые подсчитывают количество непрерывно идущих интервалов с определенными параметрами (скорость ветра больше либо равна заданной или меньше заданной) и переводят это количество в часы. В результате были получены таблицы, в которых содержатся данные о продолжительности энергетических и аккумуляторных периодов ветра (таблица 2).
Полные результаты обработки отражают информацию об энергетических и аккумуляторных периодах ветра в Ростове-на-Дону за последние пятнадцать лет, содержатся в соответствующих таблицах, которые здесь из-за большого объема не приводятся.
Дальнейший анализ предполагал нахождение статистического распределения периодов tЭ и tА. Для этой цели был написан макрос, который работает с выбранным набором таблиц. В результате выполнения макроса были получены данные о частоте появления одинаковых по продолжительности периодов tЭ и tА (таблица 3).
На основании полученных данных были построены графики частоты непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов, примеры которых приведены на рисунках 2 и 3.
Обработка полученных графиков позволила получить зависимости с высокой степенью аппроксимации. Так, например, алгебраическая запись зависимости, которая описывает распределение периодов со скоростью ветра > 8 м/с, выглядит следующим образом:
у = 1890 , 7 x - 11621
где y – частота;
x – продолжительность непрерывного периода, часов.
Полученные в результате статистической обработки данные могут быть использованы для определения оптимальной рабочей скорости ветроустановки.
Таблица 1 – Данные о скорости ветра в 2009 году (фрагмент)
|
S § м & ID Н Я К |
я м к |
м о Ө |
н 2 |
я я о < |
=я 2 |
я я 2 К |
я я 2 К |
н я < |
ю я CD и |
to О |
я & to я о К |
я to о |
|
Скорость ветра м/с |
||||||||||||
|
1 |
1 |
8 |
0 |
3 |
3 |
3 |
0 |
2 |
3 |
4 |
4 |
3 |
|
2 |
1 |
9 |
3 |
3 |
0 |
2 |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
2 |
|
3 |
0 |
0 |
3 |
1 |
0 |
2 |
6 |
3 |
4 |
0 |
5 |
3 |
|
4 |
1 |
7 |
4 |
2 |
5 |
4 |
7 |
3 |
5 |
3 |
4 |
5 |
|
5 |
1 |
7 |
5 |
2 |
4 |
4 |
6 |
4 |
7 |
5 |
6 |
3 |
|
6 |
3 |
7 |
7 |
4 |
5 |
5 |
3 |
3 |
8 |
4 |
6 |
5 |
|
7 |
3 |
6 |
6 |
5 |
6 |
4 |
4 |
3 |
6 |
4 |
6 |
5 |
|
8 |
3 |
4 |
5 |
5 |
4 |
3 |
4 |
0 |
6 |
2 |
6 |
5 |
|
9 |
3 |
1 |
5 |
5 |
4 |
4 |
5 |
2 |
7 |
2 |
6 |
6 |
|
10 |
3 |
0 |
7 |
3 |
2 |
4 |
5 |
0 |
4 |
0 |
7 |
6 |
|
11 |
7 |
4 |
0 |
3 |
2 |
4 |
5 |
0 |
0 |
3 |
7 |
0 |
|
12 |
4 |
4 |
7 |
3 |
2 |
3 |
6 |
2 |
7 |
3 |
7 |
5 |
|
13 |
3 |
5 |
7 |
4 |
3 |
6 |
6 |
3 |
9 |
6 |
9 |
6 |
|
14 |
6 |
4 |
5 |
7 |
8 |
5 |
4 |
3 |
10 |
10 |
10 |
8 |
|
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
… |
Таблица 2 – Данные о продолжительности периодов со скоростью ветра ≥ 8 м/с и < 8 м/с в 2009 году
|
►д м я |
м ID Ө |
н 2 |
5 < |
й 2 |
►д Я 2 К |
►д 2 К |
< |
ю и |
Рч to О |
to о К |
to |
|
Продолжительность периодов со скоростью ветра ≥ 8 м/с, часов |
|||||||||||
|
9 |
6 |
33 |
3 |
3 |
9 |
6 |
6 |
3 |
6 |
36 |
39 |
|
3 |
15 |
12 |
15 |
15 |
9 |
3 |
6 |
6 |
3 |
33 |
3 |
|
9 |
3 |
3 |
6 |
3 |
9 |
6 |
9 |
3 |
6 |
81 |
|
|
3 |
12 |
21 |
3 |
6 |
60 |
9 |
3 |
6 |
3 |
3 |
|
|
6 |
12 |
6 |
9 |
6 |
6 |
3 |
15 |
15 |
27 |
36 |
|
|
24 |
3 |
3 |
12 |
6 |
3 |
15 |
9 |
9 |
|||
|
6 |
15 |
24 |
12 |
9 |
3 |
3 |
|||||
|
9 |
6 |
12 |
6 |
6 |
3 |
18 |
|||||
|
6 |
3 |
9 |
18 |
3 |
21 |
3 |
|||||
|
3 |
6 |
3 |
3 |
6 |
|||||||
|
24 |
3 |
6 |
15 |
||||||||
|
3 |
6 |
6 |
|||||||||
|
6 |
|||||||||||
|
6 |
|||||||||||
|
Продолжительность периодов со скоростью ветра < 8 м/с, часов |
|||||||||||
|
189 |
156 |
117 |
42 |
36 |
246 |
258 |
240 |
15 |
36 |
36 |
36 |
|
9 |
3 |
3 |
36 |
60 |
228 |
39 |
156 |
15 |
321 |
9 |
3 |
|
30 |
12 |
3 |
84 |
174 |
12 |
3 |
297 |
105 |
117 |
21 |
36 |
|
105 |
42 |
99 |
45 |
15 |
90 |
15 |
6 |
117 |
6 |
42 |
|
|
12 |
18 |
6 |
81 |
12 |
12 |
99 |
3 |
12 |
3 |
99 |
|
|
84 |
12 |
3 |
12 |
222 |
12 |
192 |
3 |
78 |
3 |
21 |
|
|
57 |
6 |
96 |
9 |
123 |
33 |
15 |
3 |
24 |
|||
|
54 |
3 |
42 |
45 |
246 |
21 |
51 |
|||||
|
3 |
15 |
54 |
3 |
21 |
3 |
66 |
|||||
|
24 |
99 |
3 |
42 |
180 |
222 |
24 |
|||||
|
6 |
42 |
162 |
180 |
12 |
|||||||
|
36 |
66 |
15 |
9 |
||||||||
|
6 |
15 |
12 |
|||||||||
|
57 |
|||||||||||
Таблица 3 – Данные о частоте появления одинаковых по продолжительности периодов со скоростью ветра ≥ 8 м/с (фрагмент)
|
Частота |
341 |
178 |
100 |
43 |
38 |
23 |
18 |
7 |
11 |
5 |
7 |
|
|
Продолжительность периода со скоростью ветра ≥ 8 м/с |
3 |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
21 |
24 |
27 |
30 |
33 |
Рисунок 2 – Распределение периодов со скоростью ветра ≥ 8 м/с
Рисунок 3 – Распределение периодов со скоростью ветра < 8 м/с
Выводы:
-
- одной из наиболее важных характеристик ветра, при определении параметров автономной ветроэлектростанции с акку-
- муляторным резервом, являются данные о продолжительности непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов;
-
- энергетические и аккумуляторные периоды чередуются, и вероятности того, что продолжительность этих периодов будет находиться внутри заданного интервала, зависят от закона распределения этих величин;
-
- в результате исследования были получены зависимости, которые могут быть использованы для определения параметров автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом.
Список литературы Уравнения для определения энергетических и аккумуляторных периодов ветра в Ростовской области
- Попель, О.С. Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы/О.С. Попель//ЭнергоСовет: электронный журнал. -2011. -№ 5. -С. 22-26.
- Мургин, В.А. Использование энергий солнца и ветра для бесперебойного альтернативного снабжения зданий/В.А. Мургин, Н.В. Кузнецова//Научный вестник ВГАСУ: материалы 13-й межрегиональной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии». -2010. -С. 152-155.
- РД 52.04.275-89 Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок //Руководящие документы по энергетическому комплексу . -Режим доступа: http://en-doc.ru/rd-52-04-275-89.
- Zaccheus O. Olaofe. Statistical Analysis of the Wind Resources at Darling for Energy Production/Zaccheus O. Olaofe, Komla A. Folly//International journal of renewable energy research. -2012. -№ 2. -Р. 243-249.
- Assessment of the capacity credit of wind power in Mexico/Juan Pablo Yáñez, Alexander Kunith, Roberto Chávez-Arroyo, Alejandro Romo-Perea, Oliver Probst//Renewable Energy. -2014. -№ 72. -Р. 62-78.
- Joachim Peinke. Wind Energy. Colloquium Proceedings of the Euromech/Joachim Peinke, Peter Schaumann, Stephan Barth. -Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.
- Wind speed and power characteristics at different heights for a wind data collection tower in Saudi Arabia/Alam Md. Mahbub, Shafiqur Rehman, Josua Meyer, Luai M. Al-Hadhrami//World Renewable Energy Congress. -2011. -Р. 4082-4089.
- Харитонов, В.П. Автономные ветроэлектрические установки/В.П. Харитонов. -Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2006. -280 с.
- Воронин, С.М. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на возобновляемых источниках энергии: монография/С.М. Воронин. -Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. -304 с.
- Архив погоды в Ростове-на-Дону с 1999 года //RostovMeteo.ru . -Режим доступа: http://www.rostovmeteo.ru/archive.php
