2 МЕТОДИКА ТЭО ВАРИАНТОВ РАЗМЕЩЕНИЯ АВТОНОМНЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, ИХ ЦЕЛЕСООБРАЗНОГО КОЛИЧЕСТВА С УЧЕТОМ РАСПОЛОЖЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ
Как и во всякой другой отрасли энергетики, основными экономическими показателями объектов ветроэнергетики являются удельная стоимость установленной мощности (руб./кВт) и стоимость электроэнергии, производимой ветроэнергетическими установками (далее - ВЭУ) (руб./кВт∙ч). В последнее время при оценке капитальных затрат используется также показатель - удельная стоимость ВЭУ на единицу ометаемой поверхности.
Капитальные затраты включают в себя стоимость оборудования, затраты на транспортировку оборудования, строительные работы, работы и оборудование по присоединению к сетям учреждения, плату за землю и др.
Стоимость электроэнергии производимой ВЭУ зависит прежде всего от объема выраба тываемой электроэнергии, который в свою очередь определяется, в основном, ве личиной среднегодовой скорости ветра, затратами на обслуживание и эксплуата цию, срока службы ветроустановки, а также от величины отчислений. Стоимость электроэнергии получаемой от ВЭУ является обобщаю щим экономическим показателем.
Удельные капитальные затраты и себестоимость производства электроэнергии на ВЭУ за последние 25 лет существенно снизились. За 20 лет удельная стоимость строительства ВЭУ снизилась со 120000 до
30000 руб./кВт установленной мощности.
В настоящей методике даются рекомендации по выполнению технико-экономического обоснования (далее - ТЭО) размещения ВЭУ. ТЭО основано на сравнении альтернативных вариантов. Оно имеет целью выбор оптимальных параметров, конструктивного исполнения энергообъекта и его отдельных элементов. Этот выбор является результатом экономического сравнения вариантов решения задачи. Для этого используется критерии «затратного типа», учитывающие капитальные и текущие затраты.
Современные ВЭУ – это машины, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса и затем в электрическую энергию. В настоящее время в основном применяются горизонтально-осевые ветродвигатели. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.
Рисунок 2.1 – Ветроэнергетическая установка
На рисунке 2.1 представлена ветроэнергетическая установка. Диаметры ротора колеблются от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения ветроколеса составляет от 15 до 100 об/мин.
В состав ВЭУ входят:
Электрогенератор – устройство, преобразующее энергию вращения ветроколеса в электроэнергию.
Корпус, хвостовая часть и флюгер – устройство, обеспечивающее направление ветроколеса навстречу ветру.
Мачта-башня, фундамент, кабель, контроллер, аккумуляторная батарея (АКБ).
Инвертор – устройство, преобразующее электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного тока.
Рубильник - выключатель, обеспечивающий подачу электроэнергии к учреждению-потребителю.
Рисунок 2.2 – Электрическая схема подключения ВЭУ
2.1 Техническое обоснование применения ВЭУ
График электро-нагрузки учреждения определяется при анализе энергетического паспорта объекта (см. введение).
Состав исходных данных, необходимых для ТЭО:
1. Минимально необходимая информация для технического обоснования применения ВЭУ, включающая в себя следующие показатели:
- годовой график хода ветра по месяцам и среднегодовая скорость ветра на высоте флюгера;
- энергетическая характеристика ВЭУ;
- высота оси ветроустановки;
- высота флюгера;
- режим работы ветроустановки;
2. Дополнительные сведения и показатели, отражающие уровень цен, тарифов и т.п. Рекомендации по их определению даются в настоящей методике.
Для определения ожидаемой выработки электроэнергии в конкретном местоположении необходимо располагать данными о распределении скорости ветра по градациям. Учитывая изменчивость скорости ветра во времени, для получения достоверных данных о повторяемости необходимо иметь ряд наблюдений по флюгеру или анеморумбометру. Недостатком наземных наблюдений за ветром является существенная их зависимость от степени защищенности метеостанции. Практически наблюдения за ветром на метеостанциях характеризуют условия ветрового режима на самой станции, а не того района, где предполагается устанавливать ВЭУ. Поэтому для того, чтобы уточнить расчетные значения скорости ветра, необходимо произвести измерения скорости на месте и высоте предполагаемой установки ВЭУ.
Порядок расчета:
1.Для расчета выработки энергии ВЭУ в конкретном пункте на заданной высоте необходимо уточнить значение скорости ветра на уровне флюгера и ввести поправку на изменение скорости  , приведя ее к высоте оси ветроколеса, с учетом рельефа и климатических условий местности
(таблица 2.1). На основе закона распределения ветра рассчитать среднюю скорость ветра, приведенную к высоте оси ветроколеса в каждом месяце.
 , м/с , (2.1)
Uh – скорость ветра на высоте оси ветроколеса;
Uф – скорость ветра на высоте флюгера;
Носи, Нф – высота оси и флюгера ветроколеса;
m – коэффициент изменения скорости ветра в зависимости от сезона;
2.Определить среднегодовую скорость ветра на высоте флюгера, приведенную к высоте ветроколеса:
 , м/с, (2.2)
где m – среднегодовой коэффициент изменения скорости ветра с увеличением высоты.
 , м/с, (2.3)
U0 – значение скорости ветра на высоте 10м [22];
k – коэффициент изменения скорости ветра с увеличением высоты оси ветроколеса;
Таблица 2.1 - Коэффициент изменения скорости ветра с высотой в нижнем 100-метровом слое атмосферы в Самарской области в условиях ровной открытой местности [26]
Сезон
|
Высота, м.
|
m
|
10
|
20
|
40
|
60
|
80
|
100
|
|
|
к
|
|
Зима
|
1
|
1,12
|
1,26
|
1,35
|
1,43
|
1,50
|
0,17
|
Весна
|
1
|
1,17
|
1,36
|
1,50
|
1,59
|
1,66
|
0,22
|
Лето
|
1
|
1,18
|
1,40
|
1,55
|
1,67
|
1,76
|
0,24
|
Осень
|
1
|
1,12
|
1,26
|
1,35
|
1,43
|
1,50
|
0,17
|
Год
|
1
|
1,15
|
1,32
|
1,44
|
1,53
|
1,60
|
0,20
|
3. Найти значение дисперсии скорости σи для каждой конкретной ветроустановки по среднегодовой скорости ветра:
 м/с, (2.4)
4. Определить величину коэффициента z в зависимости от скорости ветра на высоте оси ВЭУ:
 , (2.5)
где zi - коэффициент отклонения скорости от среднего значения;
Ui - текущее значение скорости.
5. Из графика распределения скоростей ветра в безразмерных координатах определить значения коэффициента скорости ветра  в зависимости от  (рисунок 2.3).
σf (u)=f(zi), (2.6)
6. По вычисленным значениям  определить значения функции плотности распределения:
 , (2.7)
7. Рассчитать продолжительность скорости ветра по градациям -  :
 , (2.8)
где T=8760 часов.
Выработка электроэнергии ветроагрегатом в месте его установки зависит от энергетических характеристик ветра и конструкции ветроагрегата.
Мощность ветрового потока вычисляется по следующей формуле:
P = 0,5 ⋅ ρ ⋅ A ⋅U3 , (2.9)
где: P - мощность ветрового потока, Вт;
ρ - плотность воздуха, 1,29 кг/м3, при обычных условиях;
A - поперечная площадь сечения ветрового потока, м2;
U – скорость ветра, м/с
Рисунок 2.3 - Распределение скорости ветра на территории Самарской области.
По известной среднегодовой скорости ветра, считая что распределение скоростей ветра имеет типичный характер, средняя мощность ветрового потока определяется из выражения:
Pс= 0,65 ⋅ A ⋅ U3, (2.10)
где: РС - средняя мощность ветра, Вт;
U - средняя скорость ветра, м/с.
Современные ВЭУ способны преобразовывать только около 25% полной мощности воздушного потока в полезную мощность, поэтому:
PВЭУ= 0,25 ⋅ 0,65 ⋅ AК ⋅ U3=0,163 ⋅ AК ⋅ U3, (2.11)
где: PВЭУ - мощность на выходе ветроагрегата, Вт;
AК = 0,785·D2 - площадь поверхности, ометаемой ветроколесом диаметром D, м2;
U - средняя скорость ветра на уровне ступицы ветроколеса, м/с.
Количество энергии, которую вырабатывает ветроагрегат за расчетный период времени можно определить следующим образом:
W=PВЭУ ⋅ T/1000, (2.12)
где: W - количество вырабатываемой энергии, кВт·ч;
T - расчетное время работы ветроагрегата, ч.
Таким образом, для ветроагрегата определяются основные технические параметры проектируемой ВЭУ.
|
