О ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ВЕТРА ОТ ВЫСОТЫ
С УЧЕТОМ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ
Н.С. Голубенко, С.И. Довгалюк, А.М. Фельдман, В.Б. Худик
На этапе проектирования расчеты годовой выработки электроэнергии ветровых электрических установок (ВЭУ) невозможны без учета изменения скорости ветра с высотой [1]. Перерасчет скорости ветра Vо с высоты флюгера Ho на высоту оси ротора H осуществляется по известной зависимости (см., например, работу [2]:
(1)
Проблема заключается в выборе значений показателя а. Значения а во многих работах принимается а=0,143 (см., например, работу [2]). В нормативных документах [3] рекомендуют а=0,2. В работе [4] для различных мест США представлены значения а=0,23(+-)0,03. При измерениях на различных высотах в работе [5] значения а достигают 0,34. В отдельных работах для Украины используется а =0,167.
Рост единичной мощности ВЭУ и, как следствие, рост высоты оси ротора требуют определенной аккуратности в задании показателя а, т.к. использование тех или иных значений а может привести к значительной погрешности в определении среднегодовой выработки ВЭУ.
Так, для Vо=6,0 м/с на высоте ho=10 м при пересчете на высоту 50 м и использовании значений а=0,12 или а=0,167 в итоге получим значения выработки, отличающиеся на ~25%.
В работе [6] приведен классификатор шероховатости подстилающей поверхности (таблица 1 графы 1-4), в котором приведены классы шероховатости и данные по зависящим от них сохранности энергии ветра Eр и характерной высоте h.
В результате проведенных исследований авторы разработали эмпирические зависимости потерь энергии Е =1 - Eр от характерной высоты h (2), и степенного показателя а в выражении (1) от потерь энергии Е и от характерной высоты h (3):
E = 0,83 + 0,098 * ln(h),
(2)
а = 0,5 * E = 0,415 + 0,049 * ln(h).
(3)
В таблице 1 (графы 6, 7) приведены расчетные значения потерь энергии Е и показателя а с достаточно высокой сходимостью результатов.
Таблица 1 – Классы шероховатости поверхности
В выражениях (2, 3) выбор h осуществляется с использованием вербального (словесного) описания характера подстилающей поверхности (графа 4 таблицы 1), выбора значения h и по нему – соответствующих E и а.
Рисунок 1 – Зависимости потерь энергии (Е) и степенного показателя (а) от характерной высоты (h)
Например, для окрестностей г.Щелкино (АР Крым) и г.Днепропетровска расчет скорости ветра на высоте 50 м приведен в таблице 2, в которой принято для ВЭС г.Щелкино а=0,12 а для г.Днепропетровска принят ряд значений а от 0,12 до 0,245.
Из таблицы 2 следует, что при выборе площадок для размещения мощных ВЭУ со значительной высотой оси ротора (50 м и более) результаты измерений скорости ветра на высоте оси флюгера (как правило, на высоте 10 м) не являются определяющими.
Об этом же говорит и опыт эксплуатации мощных ВЭУ в континентальной части Германии, где при относительно невысоких среднегодовых скоростях ветра ВЭУ с большей высотой опоры дают значительно более высокие результаты по выработке электроэнергии.
Разумеется, исследования зависимости параметров ветра от высоты необходимо продолжать и при дальнейших исследованиях необходимо будет определить более точные аналитические зависимости между степенным показателем и характеристиками местности.
Выводы
1. В статье предложена методика определения значений степенного показателя для зависимости скорости ветра на высоте оси ротора ветровой установки от скорости ветра на высоте оси флюгера с учетом степени шероховатости подстилающей поверхности.
2. При дальнейших исследованиях необходимо будет определить более точную аналитическую зависимость между степенным показателем и характеристиками местности.
Литература
1. Тучинський Б.Г. Оцінка виробітку електроенергії вітроелектричної установки за даними спостережень метеостанції / Материалы IY Международной конференции „Нетрадиционная энергетика в XXI веке”. - Крым, 2003. – с.142-146.
2. Васько П.Ф. Разрахунок показників технічної ефективності застосування вітроелектричних установок за результатами строкових вимірювань швидкості вітру / Технічна електродинаміка, №6, 2001. – с.45-49.
3. Системи турбогенераторні вітряні. Частина 1. Вимоги безпеки / ДСТУ IEC 61400-1. – К.: Держспоживстандарт Украіни, 2003.
4. Justus C.G., Miаhail A. Height Variations of Wind Speed and Wind Distributions Statistics, Geophy. Res. Letters, 3, 251-264, 1976.
5. Newstein H. An Automated Meteorological Instrumentation and Observing System jn a 1000 ft TV Tower, Drexel Univ., Final Report, ESSA/SDO Contract Cwb. – 11038, 1976.
6. Roghness Classes and Roughness Lengh Table / Internet site: www.windpower.dа. – 2004.
Источник: Проектно конструкторское технологическое бюро «КОНКОРД», [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://wind.dp.ua/