Ветроэлектрическая станция в составе энергосистемы Казахстана

Аннотация. Топливно-энергетический комплекс Казахстана является энергодефицитным. Для снижения энергодефицита в работе предлагается строительство крупной ВЭС в районе озера Капчагай суммарной мощностью 40 МВт. В работе приводится: обоснование выбора площадки под строительство ВЭС по данным предварительно рассчитанных ветроэнергетических ресурсов южной части Казахстана на высоте 10 м; выбор модели ВЭУ и их количества в составе ВЭС.

Аbstract. The fuel and energy complex of Kazakhstan is energy-deficient. To reduce the energy deficit, it is proposed to build a large wind farm in the area of lake Kapchagay with a total capacity of 40 MW. The paper presents: the rationale for the choice of site for the construction of wind farms according to the pre-calculated wind resources of the southern part of Kazakhstan at an altitude of 10 m; the choice of the model of wind farms and their number in the wind farm.

Ключевые слова: ветроэлектрическая станция; вертикальный профиль ветра; коэффициент Хеллмана; энергия ветра; энергоэффективность.

Keywords: wind power plant; vertical wind profile; Hellman coefficient; wind energy; energy efficiency.

Для выбора перспективных площадок под строительство ВЭС в Казахстане был проведен расчет ветроэнергетического потенциала по многолетним рядам наблюдений (с 1999 г. по н.в.) за скоростью (на высоте 10 м) и направлениями ветра на площадках 46-и наземных метеостанций (МС) с сайта «Погода России» [2]. 

Были рассчитаны следующие основные энергетические характеристики ветра: среднемноголетняя скорость ветра V_o, удельная валовая мощность N_уд, коэффициент вариации С_V. По территории южной части Казахстана они меняются в широком диапазоне: V_o  от 0,2 м/с (МС Лепсинск) до 4,5 м/с (МС Екпинди); N_уд: 2-300 Вт/м². На основе результатов расчета были построена карта с распределением среднемноголетней скорости ветра на высоте 10 м, Анализ ветровых ресурсов по территории южной части Казахстана выявил, что оптимальной зоной для размещения ВЭС является Алматинская область. В этой области относительно высокие ветра на высоте 10 метров.

Проанализировав эти данные, были предложены следующий вариант местоположения площадки ВЭС на побережье Капчагайского водохранилища МС Екпинди:

При выборе площадки ВЭС помимо ветровой активности учитывалась транспортная доступность площадки и возможность присоединения ВЭС к существующей ЛЭП (220 кВ).

Большинство известных математических моделей вертикального профиля ветра (ВПВ) основаны на эмпирических формулах и коэффициентах, справедливых только для определенной территории.

Для разработки моделей ВПВ авторами была выбрана степенная зависимость:

 ,                                                                                                          (1)

где и – скорость ветра соответственно на высотах и  над поверхностью земли в рассматриваемой точке; –  показатель степени (в зарубежной литературе показатель Хеллмана), зависящий от скорости ветра, рельефа местности, стратификации атмосферы и т.д. Точность моделирования ВПВ степенной функцией зависит в первую очередь от значения показателя Хеллмана m.

 Для получения математической модели определения показателя степени для условий площадки ВЭС были использованы данные 4-х аэрологических станций (АМС) Казахстана и Киргизии из СБД «Вертикальный профиль ветра» [3], расположенные в радиусе до 300 км от выбранной площадки ВЭС, координаты которых и удаление от площадки ВЭС приведены в таблице 1. Критериями выбора АМС в качестве аналога для площадки ВЭС являются: удаление АМС от площадки ВЭС и идентичность рельефа местности на площадках АМС и ВЭС. Определение идентичности рельефа  на площадках АМС и ВЭС производится сравнением высотных отметок и общих закономерностей формирования скорости ветра при сопоставлении годового хода  среднемесячных значений скорости  ветра на высоте 10 м.

 Поскольку средний уровень скорости ветра на площадках АМС  и ВЭС неодинаков, то производилось сравнение нормированных значений скорости ветра , которые определялись по формуле:

 ,                                                                                                             (2)

где l – порядковый номер месяца;- среднемесячные значения скорости ветра на площадке (АМС и ВЭС);  – среднемноголетняя скорость ветра на площадке. Годовой ход ветра на 4-х АМС был получен из СБД «Вертикальный профиль ветра», а на площадке ВЭС определялся по данным наблюдений на МС Екпинди в l-ом месяце.

Критерием соответствия годового хода скорости ветра на площадках АМС и ВЭС является выполнение в течение года условия:

                   ,                                                                                        (3)

где , % - относительная погрешность, которая не должна превышать точность  округления  данных с сайта «Расписание Погоды» ;  и , о.е. – нормированные значения скорости ветра на высоте 10 м на площадках ВЭС и АМС соответственно.

В таблице 2 и на рисунке 1 представлены многолетние среднемесячные значения скорости ветра на АМС  (1974-1986 гг)  и на МС Екпинди (2009-2017 гг.) в о.е.

Таблица 1.

Координаты АМС и их удаление от площадки ВЭС

Таблица 2.

Многолетние среднемесячные значения скорости ветра на АМС  (1974-1986 гг)  и на МС Екпинди (2009-2017 гг.) в о.е.

Рисунок 1. Годовые вариации скорости ветра по данным МС Екпинди и четырех ближайших АМС

Наименьшие отклонения годовой вариации скорости ветра на площадках 4-х ближайших АМС  и МС Екпинди (см.табл. 2 и рисунок 3) получились на площадке АМС Балхаш. Следовательно, из всех АМС Балхаш можно рассматривать в качестве аналога для МС Екпинди.

По данным среднемноголетних среднемесячных скоростей на высотах 10 и 100 м на АМС Балхаш была построена эмпирическая зависимость  и получена аппроксимирующая ее зависимость в виде степенной зависимости (рисунок 2): m_l= 1,338×V_l^-1,08 

Рисунок 2. Эмпирическая  и аппроксимирующая зависимости  на площадке АМС Балхаш

Выбор модели ветроэлектрической установки (ВЭУ) должен производиться на основе технико-экономического обоснования. Но поскольку в данной работе расчет экономических показателей не производился, то выбор модели ВЭУ производился по критериям энергоэффективности с учетом климатического исполнения и класса безопасности ВЭУ в соответствии с IEC61400-1 из 3-х предварительно отобранных вариантов ВЭУ (табл.3). В соответствии с проведенными расчетами на площадке ВЭС могут быть установлены только ВЭУ I класса безопасности для условий холодного иклимата (УХЛ исполнение). В качестве основного критерия энергоэффективности был выбран критерий: максимальное значение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ k_иум,   рассчитываемый по формуле:

  ,                                                                                                 (4)

где N_вэу – установленная мощность ВЭУ, Э_ВЭУ(Т)- энергия, вырабатываемая ВЭУ за период времени Т (один год) определяется выражением:

,                                                                                                  (5)

где - модельные средние скорости ветра на высоте оси ветроколеса h на площадке ВЭС; k - количество наблюдений в год, Dt_i – интервал времени.

В качестве дополнительного критерия использовался показатель удельной энергии с единицы ометаемой площади Э_ВЭУуд:

    .                                                                                                            (6)

Годовая выработка единичных ВЭУ определялась по их паспортным энергетическим характеристикам ВЭУ для стандартных условий по модельному ряду скорости ветра с 3 часовым интервалом времени за 2009 год [5].  Основные энергетические показатели выбранных вариантов ВЭУ представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Основные показатели энергоэффективности вариантов ВЭУ

Окончательно для установки на площадке ВЭС была выбрана модель ВЭУ “ Made G87/2000 ” в количестве 20 штук. Для расстановки ВЭУ на площадке ВЭС учитывалась многолетняя «роза ветров», которая имеет преобладающее З-е направление ветра.

Таблица 4.

Многолетняя «роза ветров» на площадке ВЭС

В пределах выбранной площадки было определено максимально возможное количество ВЭУ (Z) с учетом выбранных расстояний между рядами ВЭУ и рельефа местности: количество ВЭУ на площадке ВЭС составляет 20 штук (см. рисунок 6). Тогда годовая выработка электроэнергии от ВЭС Э_ВЭС составит:  Э_ВЭС =7819412,4*20=156388 МВт.ч в год.

Список литературы: