Цель настоящей статьи – обобщение основных элементов предварительных расчетов и схем, достаточных для предпроектных предложений по строительству ветроэлектростанции установленной мощностью 10–50 МВт для территорий Нижнего Поволжья на примере Камышинской ВЭС.

Рассмотрен расчет мощности ветрогенерирующего устройства, при котором изменения скорости ветрового потока в произвольной точке с достаточной точностью в местностях Нижнего Поволжья рассчитываются по модифицированной формуле Вейбулла-Гуревича, где предлагается использовать отношение случайного значения скорости ветра к его среднему значению.

Используя распределения скоростей ветра вблизи г. Камышина, получаем расчётную удельную мощность в точке строительства.

Показано, что используя двухроторный ветроагрегат ИнС-1000 производства ЗАО «ИнС ОКБМ» (г. Воронеж), получаем ожидаемую выработку электроэнергии одной ветроустановкой в точке строительства ВЭС 1 498 527 (кВт∙ч) и всей ветроэлектростанции 74 926 635 (кВт∙ч). Электрическая схема ВЭС построена следующим образом.

Для подтверждения предложенных методик разработана электрическая схема и генплан ВЭС. Вырабатываемая ветроэнергетическими установками электрическая энергия под напряжением 0.4 кВ преобразуется в напряжение 10 кВ при помощи энергосберегающих трансформаторов, устанавливаемых в комплектных трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ. Электроснабжение близлежащих потребителей и связь с энергосистемой осуществляется через повышающую трансформаторную подстанцию на напряжение 110/35/10 кВ.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Расчёт энерговыработки ветроэлектростанции Нижнего Поволжья с достаточной точностью можно провести по среднегодовой скорости ветра в точке строительства.

2. Электрическая схема ветроэлектростанции формируется из серийного оборудования, путём постепенного повышения напряжения; 0,4, 10, 35, 110 кВ.

3. Ветроустановки располагаются рядами ортогонально линии преимущественного направления ветра, показанного на «розе ветров». Расстояние между ветроустановками – 75 м, расстояние между рядами – 250 м. Таким образом полная площадь, занимаемая промплощадкой ВЭС-50 Камышинская, составляет 72 гектара.

Ключевые слова: среднегодовая скорость ветра, функция распределения, мощность ветроустановки, выработка электроэнергии, трансформаторы, кабели, генплан.

Оценка ветроэнергетического потенциала на площадке строительства. Мощность, которую развивает ветрогенератор, определяется скоростью ветра, а также площадью ометания (т.е. площадью геометрической фигуры, которую «описывают» вращающиеся лопасти ветроколеса).

Мощность идеального ветрогенератора вычисляется по формуле

гдеρ– плотность воздуха, кг/м3,

S₀  – площадь ометания ветроколеса, м²;

v  – скорость ветра, м/сек;

C_p  – безразмерный коэффициент использования энергии ветра (зависит от конструкции ветроустановки). У идеального ветряка C_p = 0,593 [1] в реальности при грамотном проектировании C_p  может достигать 0,35–0,45, в частности, для двухроторных ветроагрегатов изготовитель приводит даже более высокие значения.

Для расчёта мощности ветрогенерирующего устройства необходимо знание скорости ветропотока (v ). Изменения скорости ветрового потока в произвольной точке с достаточной точностью могут быть описаны с помощью функции распределения Вейбулла – p(v), имеющей два параметра – формы k  и единиц измерения c  (рисунок 1) [2, 3].

Вероятность того, что скорость ветра в течение любого периода времени будет находиться на уровне v , представлена в виде следующего выражения:

где p – единица изменения параметра, в нашем случае в год;

v  – величина скорости ветра м/сек;

к – параметр распределения;

с – параметр единиц измерения, равный среднегодовой скорости ветра.

Вероятность того, что величина скорости ветра будет находиться в пределах от нуля до бесконечности и в течение рассматриваемого периода равна 1:

При рассмотрении периода времени 1 год необходимо функцию вероятности выражать в часах. Единицей измерения параметра p  будет являться час в год. В этом случае интеграл (3) принимает значение 8760 часов. При этом, значения среднемесячных скоростей ветра v  для каждой территории хорошо известны за длительные (25–30 и более лет) периоды наблюдений, поскольку они являются нормативной величиной статистической отчётности метеостанций Роскомгидромета.

Особую привлекательность строительство ВЭС вдоль реки Волги имеет то обстоятельство, что она подобна оффшорным ветропаркам, массово сооружаемым в мире [6, 7, 8, 9]. Для оценки ветроэнергетического потенциала в точке строительства конкретной ВЭС, например, в регионе г. Камышина, Волгоградской области, приведём фактические значения скорости ветра по данным опорной метеостанции «Камышинская» (таблица 1).

Из приведенных данных следует, что параметр c  для точки строительства ВЭС составляет c  = 4,6 м/сек.

Для расчётных оценок энерговыработки в местностях Нижнего Поволжья воспользуемся теоретической работой А.Б. Рыхлова [4].

В указанной работе приведены параметры распределения модифицированной формулы Вейбулла-Гуревича, где предлагается использовать отношение случайного значения скорости ветра v к его среднему значению v  в виде закономерности:

Скорость ветра, м/сек

Рисунок 1 – Функция распределения вероятностей Вейбулла
при значении параметра распределения k=2  для различных c

Параметры распределений γ  и β  мало изменяются от одной области Поволжья к другой. Для оценки достоверности аппроксимации использовался коэффициент детерминированности R² , позволяющий судить о близости теоретических и фактических значений распределения (таблица 2).

Таблица 1 – Среднемесячная и среднегодовая скорость ветра по ОМС «Камышинская»

Год	Среднемесячная скорость ветра, м/сек												Средне- годовая скорость ветра, v  м/сек
	январь	февраль	март	апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь
2006	4,4	4,7	3,8	2,9	4,7	4,0	3,9	4,4	4,4	5,6	5,4	5,1	4,44
2007	6,1	5,2	6,0	4,0	4,7	4,1	3,4	3,6	3,6	4,3	4,2	3,9	4,43
2008	5,2	4,5	3,8	4,3	3,9	4,7	2,8	3,7	5,1	3,8	3,8	4,4	4,17
2009	4,3	4,8	4,5	4,2	4,9	4,4	3,2	4,0	3,5	3,8	3,7	4,0	4,11
2010	4,7	6,5	6,7	5,4	4,8	3,8	4,2	4,7	4,8	5,7	5,6	6,1	5,25
2011	4,3	5,4	4,8	4,3	4,0	4,7	3,9	4,2	4,4	3,9	4,6	5,7	4,52
2012	6,7	6,2	5,7	6,2	5,2	4,9	4,2	5,1	5,3	5,2	4,8	5,5	5,42
2013	3,1	7,7	5,1	6,0	4,7	4,6	4,3	4,9	3,8	5,3	5,5	5,7	5,06
2014	4,7	5,6	4,4	5,1	4,0	3,6	3,2	3,7	3,5	3,5	5,0	4,4	4,22
Много-летние	4,85	5,54	4,92	4,63	4,55	4,31	3,65	4,2	4,3	4,55	4,69	4,9	4,6

 

Таблица 2 – Параметры распределения γ  и β  по областям Поволжья

Область	Параметры распределения		R2
	γ	β
Астраханская	1,39	0,87	0,99
Волгоградская	1,38	0,88	0,99
Саратовская	1,34	0,89	0,98
Самарская	1,35	0,90	0,99
Татарстан	1,42	0,87	0,99

 

Тогда, используя (4), распределение скоростей ветра в зоне строительства ВЭС вблизи г. Камышина будет описываться выражением

Подставив текущие значения скоростей ветра v, получим график повторяемости скоростей ветра p(v) (рисунок 2).

Исходя из приведённой таблицы, принимаем для расчёта среднегодовую скорость ветра v = 4,6 м/сек. Примем также расчётную плотность воздуха p = 1,226 кг/м3 постоянной, так как отклонения плотности от указанного значения не превышают 3%, что достаточно для практических расчётов осветительного устройства.

Рисунок 2 – График повторяемости скоростей ветра p(v)
для выбранной точки строительства ВЭС

Удельная мощность ветрового потока в зоне установки уличного фонаря составит:

Проинтегрировав уравнение (5) с учётом (6) получим выражение средней мощности ветрового потока:

Подставив численное значение v, получим расчётную удельную мощность в точке строительства ВЭС «Камышинская»:

Расчёт объёма выработки электроэнергии будущей ВЭС.

На следующем этапе требуется выбрать тип ветроустановки, которая будет установлена на строящейся ВЭС.

В нашем примере мы используем двухроторный ветроагрегат ИнС-1000 производства ЗАО «ИнС ОКБМ» (г. Воронеж). Установленная мощность одного ветроагрегата составляет 1000 кВт. Роторы имеют диаметр 55 м, оси роторов находятся на высоте 70 м. Скорость трогания ветроколеса такого ветроагрегата – 2 м/сек. Поэтому диапазон рабочих скоростей – от 2 до 20 м/сек. При этом коэффициент использования энергии ветропотока C_p  может быть более 50% (примем C_p = 0,5). Исходя из вышеприведённого, продолжительность диапазона рабочих скоростей τ_ветр  ветрогенерации в точке строительства ВЭС для расчётного периода T  может быть рассчитана:

Приняв за расчётный период один год (T = 8760 час) и используя выражение (5), получим:

Используя (6) и (8) получим выражение для расчёта годовой выработки электроэнергии Э_ветр генерацией одной ветроустановки:

где F – площадь ометания ротора ветровым потоком, F  = 2374 м².

С учётом C_p  = 0,5, используя полученное в (4) значение P_y0  = 189,5 Вт/м2, рассчитаем ожидаемую выработку электроэнергии одной ветроустановкой в точке строительства ВЭС:

Э_ветр=0,5∙189,5∙6662∙2374=1498527  (кВт∙ч).

Так как нами обосновывается электростанция установленной мощностью 50 МВт, то количество ветроустановок составит:

n=50000/1000=50  ед.

Используя выражение (2) и подставив значения n, получим полную выработку электроэнергии ВЭС «Камышинская» за год:

Э_ВЭС=1498527 ∙50=74926635 (кВт∙ч).

Полученное значение годовой выработки электроэнергии позволяет с использованием ценовых показателей изготовителей оборудования, региональных затрат на строительство и утверждённых Правительством РФ нормативов эксплуатационных расходов для ветровой генерации (118 тыс. руб./МВт в месяц) рассчитать все технико-экономические показатели будущей ВЭС [5].

Электрическая схема и генплан ВЭС-50.

Предполагаемая схема включения ВЭС в энергосистему представлена на рисунке 3.

Вырабатываемая ветроэнергетическими установками (ВЭУ) ИнС-В-100 электрическая энергия напряжением 0,4 кВ преобразуется в напряжение 10 кВ при помощи энергосберегающих трансформаторов ТМГ 12 мощностью 1250 кВА, устанавливаемых в комплектных трансформаторных подстанциях (КТП) 10/0,4 кВ. Электроснабжение близлежащих потребителей и связь с энергосистемой осуществляется через повышающую трансформаторную подстанцию на напряжение 110/35/10 кВ. Подключение КТП 10/0,4 кВ к распределительному устройству 10 кВ подстанции 110/35/10 кВ предусматривается кабелями АПвБП-10 3×35 мм2, прокладываемыми в траншее и кабельных каналах.

План расположения ВЭУ, КТП и ПС, а также прокладки кабельных линий показаны на генплане ВЭС (рисунок 4).

Как следует из приведённого плана, ветроустановки располагаются рядами, ортогонально линии преимущественного направления ветра, показанного на «розе ветров». Расстояние между ветроустановками 75 м выбрано из значения диаметра ротора 55 м плюс ремонтное пространство по 10 м с каждой стороны. Расстояние между рядами 250 м выбрано из условия восстановления воздушного потока, сработанного на предыдущем ряду.

Рисунок 3 – Схема включения ВЭС в энергосистему

 

Рисунок 4 – План расположения электрооборудования
и прокладки кабельных линий ВЭС-50

Территория ВЭС охвачена охранным периметром, на входе в который размещены ПС выдачи мощности в энергосистему и пункт управления. Таким образом, полная площадь, занимаемая промплощадкой ВЭС-50 "Камышинская", составляет 72 гектара. Площадь под ветроустановками может быть использована для сельхозпроизводства в качестве пастбища.