Модель ветряной электростанции: Проект :МИНИ ВЕТРЯНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ | Образовательная социальная сеть

Проектная работа «Ветряная электростания — альтернативный источник энергии»

Рыжова Ирина — ученица 10 класса

МБОУ Лицей №25 г.Димитровград

Проектная работа «Ветряная электростанция – альтернативный источник энергии»

Актуальность

Интерес автора к данной теме изначально был вызван желанием узнать, как и где получают электрическую энергию, какие виды электростанций существуют и где они расположены.

Не возможно представить жизнь без электричества. Потребности человечества в электроэнергии с каждым годом увеличиваются. В России около 75% энергии производится на тепловых электростанциях. Для её получения используются в основном ископаемые углеводородные источники земли (нефть, природный газ, уголь). Эти углеводороды являются невосполнимыми и их количество в земной коре уменьшается. Существует также проблема в их вредном воздействии продуктов сгорания на окружающую среду и климат. Небезопасными оказались и ГЭС, и АЭС. С целью устранения этих недостатков для получения электроэнергии стали использовать альтернативные источники энергии.

Популярная энергия ветра. Уже давно используется энергия ветра для получения электроэнергии. Это перспективное направление, поскольку движение воздуха происходит постоянно, а запасы ветровой энергии намного превышают запасы энергии воды во всех реках нашей планеты. Однако ветряные генераторы составляют всего 0,001% от общей энергетической потребности.

В ходе изучения и теоретического анализа литературы нас заинтересовал следующий вопрос: возможно ли, изготовить модель ветряной электростанции, которая отсутствовала в школьном кабинете физики.

Таким образом, целью работы является изготовление действующей модели ветряной электростанции.

Объект проекта: получение электрической энергии.

Предмет:

Задачи проекта:

1. Проанализировать научную литературу по проблеме исследования.

2. Изучить принцип действия и устройство электростанции.

3. Изготовить модель ветряной электростанции.

Практическая значимость: создана модель ветряной электростанции для практического использования на уроках физики и географии.

При выполнении проекта были использованы следующие основные методы исследования:

• изучение интернет-материала;

• теоретический анализ научной литературы;

• конструирование и сборка модели ветряной электростанции;

• физический эксперимент.

Теоретическая основа

В процессе изучения материала выяснено, что электрическая энергия может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях.

В нашей стране производится и потребляется огромное количество электроэнергии. Она почти полностью вырабатывается тремя основными типами электростанций: тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями.

В России около 75% энергии производится на тепловых электростанциях. ТЭС строят в районах добычи топлива или в районах потребления энергии.

ГЭС выгодно строить на полноводных горных реках. Поэтому наиболее крупные ГЭС построены на сибирских реках: Енисее, Ангаре. Но также построены каскады ГЭС и на равнинных реках: Волге, Каме.

АЭС построены в районах, где потребляется много энергии, а других энергоресурсов не хватает (в западной части страны).

Основными источниками энергии являются твердое топливо, нефть, газ, вода, энергия распада ядер урана и других радиоактивных веществ.

Все основные типы электростанций оказывают значительное негативное воздействие на природу. ТЭС загрязняют воздух, шлаки станций, работающих на угле, занимают огромные территории. Водохранилища равнинных ГЭС заливают плодородные пойменные земли, приводят к заболачиванию земель. Небезопасными оказались и АЭС.

Я считаю, что будущее за использованием нетрадиционных источников энергии — энергии ветра, приливов, Солнца и внутренней энергии Земли. Нужно заботиться о природе, поэтому самый оптимальный вариант – это ветряная электростанция.

Остановимся на преимуществах ветряных электростанций:

• Использование энергии ветра имеет тысячелетнюю историю. Энергия ветра использовалась еще в Древнем Риме для доставки воды и помола зерна.

• Энергия ветра – возобновляемая энергия, а Земля производит ветер постоянно, бесплатно и без ущерба для окружающей среды.

• Энергия ветра не создаёт выбросы парниковых газов.

• Энергия ветра доступна практически в любом месте на планете. Где-то ветер слабее, где-то сильнее, но он есть практически везде.

• Ветрогенераторы не производят вредных выбросов в процессе эксплуатации.

• Ветряные турбины расположены на мачтах, и занимают очень мало места, что позволяет размещать их совместно с другими строениями и объектами.

• Энергия ветра будет особенно востребована в удаленных местах, куда доставка электричества другими привычными способами затруднена.

• Как и другие альтернативные источники энергии, ветряные электростанции снижают зависимость компаний и частных лиц от монополии нефтегазовых кампаний, т.е. создают конкуренцию, от которой должны выиграть конечные потребители. 

Эти преимущества подтолкнули меня узнать, как работает ветряная электростанция, а затем сконструировать и собрать её модель.

Описание работы модели

Ветряная электростанция – это устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим ее преобразованием в электрическую энергию.

Создать поток воздуха для модели можно, если использовать здоровые легкие человека, либо вентилятор. Для этого пригодился старый компьютер, детали которого прибрели «вторую жизнь». Для работы вентилятора требуется напряжение в 12 В, поэтому использовали трансформатор.

При работе вентилятора создается воздушный поток, который попадает на лопасти вертушки (ротор), соединенной с валом электрогенератора. При вращении лопастей генератор вырабатывает электрический ток. По проводам ток доходит до закрепленного светодиода. Таким образом, светодиод горит.

Результат

1. В процессе изучения материала выяснено, что электрическая энергия может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электростанциях.

2. Я считаю, что будущее за использованием нетрадиционных источников энергии. Самый оптимальный вариант – это ветряная электростанция.

3. Изготовлена действующая модель ветряной электростанции (см. приложение — фото). Она позволяет демонстрировать принцип работы ветряной электростанции, при этом развивает интерес детей к конструированию, моделированию, исследованию.

Литература

1. Безруких П. П., Безруких П.П. (мл.) Что может дать энергия. Ответы на 33 вопроса. М.: НИЦ Инженера, 1998, — 47 с.

2. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997. – 128 с.

3. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие. — СПб.: СЗТУ, 2003.-79 с.

4. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Пособие для проведения практических занятий. /Сост. Хахалева Л.В. – Ульяновск, 2008. – 32 с.

5. http://x-creators.ru/neobychnoe/133-vetryanaya-melnica-svoimi-rukami.html

Приложение

Ученые создали модель определения идеальных мест для строительства ветряков

Выбор места для возведения ветряков всегда сопровождается определенным риском — из-за переменчивости воздушных потоков эффективность электростанции может оказаться ниже, чем предполагалось изначально.

«Обычно люди, планирующие построить ветряную электростанцию, ищут хорошую местность со средней скоростью ветра, которая будет не слишком сильной, но и не слишком слабой. Главное — постоянной», — рассказывает Гидо Червоне, профессор географии, метеорологии и атмосферных наук. «Мы нашли более точный и эффективный способ оценки предсказуемости ветра в определенных местах. Если речь идет об ископаемом топливе и ядерной энергии, вы точно знаете, сколько энергии у вас будет. Но ветер — совсем другая история».

Для общей электрической мощности важно местоположение ветряка, но не менее важно иметь точный прогноз, сколько энергии он сможет производить в течение суток. Поставщики электроэнергии покупают энергию и хотят надежности. В свою очередь, владельцы ветряных электростанций регулярно продают электрическую продукцию поставщикам, но они также хотели бы иметь возможность планировать, хотя бы за 24 часа, сколько энергии будет произведено.

«Поставщики электроэнергии должны знать, сколько энергии доступно на день вперед», — отмечает Червоне, который также является помощником директора Государственного института кибернауки в Пенсильвании. «У них должны быть надежные источники без риска блэкаута. Они также не хотят покупать больше электроэнергии на спотовом рынке, потому что покупки в тот же день стоят дороже».

Для создания модели Червоне и Мехди Шахриар использовали так называемый «Аналоговый ансамбль», разработанный Национальным центром атмосферных исследований. Он проводит анализ ошибок в прогнозах производства электроэнергии ветряками по всей стране. Кроме того, «Ансамбль» использует исторический набор наблюдений и прогнозов, охватывающий по крайней мере несколько месяцев. По сути, это вероятностная модель прогноза, в данном случае, доступного для производства энергии ветра.

Используя прошлые прогнозы от потенциальных мест размещения ветряков, строители смогут выбирать места возможно с более низкими средними скоростями ветра, но зато с более последовательными и предсказуемыми ветрами.

Модель создает кривую вероятности для производства ветра, на основании которой компании смогут принимать решения с учетом соответствующих рисков. Если модель говорит, что вероятность достаточного ветра для производства электроэнергии составляет около 80%, и владельцы ветропарков, и покупатели электроэнергии знают, что риск отсутствия ветра низок. Если вероятность составляет 20%, несомненно, оба решат, что риск будет слишком велик, чтобы полагаться на ветряную электростанцию ​​для получения электроэнергии.

«Эта модель является вычислительно эффективной», — добавляет Червоне. «Мы могли бы работать непрерывно на большой территории без особых проблем».

международные услуги по проектированию и инвестициям проекта, инжинирингу и строительству

Вы интересуетесь ветроэнергетикой — мы занимаемся консалтингом, глобальным инжинирингом, строительством проектов, эксплуатацией и модернизацией ветряных электростанций в любой точке мира.

Проекты ветряных электростанций (ВЭС) являют собой устойчивые решения в области возобновляемых источников энергии, основанные на преобразовании кинетической энергии ветра в электричество, которое можно использовать на месте или продавать в распределительную электрическую сеть.

Энергия ветра очень быстро развивается в Европе и во всем мире, и за последние 5 лет на долю ветроэнергетики приходится более одной трети всех установленных генераторов в мире.

Стремительный рост отрасли обусловлен как подогреваемым интересом инвесторов, так и феноменальными успехами в проектировании ветроэлектростанций и увеличении мощности генераторов. Бизнес стоимостью в сотни миллиардов долларов за несколько лет успел привлечь инвестиции таких гигантов, как Siemens и General Electric.

Инвестиции в ветроэнергетику руководствуются требованиями рентабельности и устойчивости. Если вы представляете энергетическую компанию, мы даем вам возможность инвестировать в установку отдельных турбин или целые ветровые фермы разных размеров.

Одним из преимуществ инвестирования в собственное производство электроэнергии с помощью ветра является предсказуемость затрат на электроэнергию. В это же время вы помогаете сделать производство электроэнергии более чистым.

Мы представляем компанию ESFC с партнерами — европейских лидеров в инжиниринге и строительстве.

Как крупные, так и мелкие энергетические компании могут обеспечить своих клиентов экологически чистым электричеством благодаря нашим привлекательным предложениям. Наши инженеры компании много лет работают над проектированием, строительством и обслуживанием ветряных электростанций в России, Испании и ЕС.

Спектр наших услуг в сфере инвестиционного инжиниринга включает:

• оценка местоположения ветроэлектростанции;
• бизнес-концепция и финансовое обеспечение;
• изучение экологии региона и определение потенциала ветра;
• защита проекта в соответствии с национальным законодательством;
• техническое планирование и микросайтинг ВЭС;
• планирование подключение с электросетям;

Спектр консультационных услуг варьирует от закупок оборудования, управления проектами, оценки ветровых ресурсов до оценки шумового воздействия, влияния на окружающую среду и юридических аспектов, касающихся реализации проектов.

Строительство и запуск ветряной электростанции, как правило, занимает от 6 до 18 месяцев, в зависимости от размера фермы, рельефа местности, подключения к сети, а также доставки и монтажа турбин. В это время могут потребоваться переговоры с сообществом и муниципальными властями из-за шума и трафика — мы поможем.

В большинстве западных стран ветроэнергетика больше не новость. Более того, эта отрасль постепенно вступает в зрелую фазу. Но зрелость приносит новые проблемы и возможности.

Инвесторы, заинтересованные в возобновляемой энергии, не должны упускать из виду две тенденции ветроэнергетического сектора — это массовая утилизация устаревших турбин и переоснащение ветропарков, которое набирает обороты по всему миру.

Оптимизация и модернизация ветряных электростанций сейчас является одним из ведущих направлений нашей работы.

Хотите узнать больше о новых инвестиционных возможностях? Обращайтесь!

Ветряная электростанция: инжиниринг и финансирование проектов

Мы можем содействовать в получении кредитов от крупнейших банков Испании или в привлечении других источников финансирования для вашего энергетического бизнеса.

Существует три способа финансирования проектов в области ветроэнергетики:

• самофинансирование;
• банковское (кредитное) финансирование;
• лизинг участка стороннему разработчику.

Преимущества и недостатки различных вариантов описаны ниже:

Международные услуги по строительству ветряных электростанций

Технико-экономическое обоснование ветроэлектростанции

При рассмотрении проекта строительства ВЭС инвестору важно понимать степень и характер этих рисков, а также оценить стоимость, отдачу и экологические выгоды.

Цель технико-экономического обоснования состоит в следующем:

• определение наиболее подходящей мощности и расположения турбин;
• комплексная оценка потенциального ветроэнергетического ресурса на месте;
• экспертная оценка физических и проектных ограничений и первоначальных технических проблем, которые могут повлиять на жизнеспособность проекта;
• первоначальная оценка стоимости проекта и доходности инвестиций;
• объективное представление об уровне риска для инвестора.

Подробнее о составлении технико-экономического обоснования читайте ниже.

Оценка физических ограничений проекта

Первая цель технико-экономического обоснования состоит в том, чтобы изучить физические ограничения, которые определят, имеется ли на данном участке достаточная развертываемая площадь для установки ветряной турбины, какая модель может быть наиболее целесообразной и как правильно ее установить.

Взглянув на бескрайние русские просторы, непосвященный обыватель удивится, как мало действительно подходящих участков пригодны для строительства ветряной фермы и просто отдельных ветроэнергетических установок.

ТЭО делает важный шаг в понимании потенциальных возможностей того или иного участка.

На первом этапе используется специальное программное обеспечение, с помощью которого накладываются карты участка со всеми природными и антропогенными объектами:

• автодороги;
• железные дороги;
• пешеходные маршруты;
• леса и живые изгороди;
• жилые и нежилые строения;
• бытовые удобства;
• линии электропередач;
• шумопоглотители;
• водотоки и др.

Наши инженеры учитывают эти и другие особенности ландшафта, которые будут влиять на расположение турбины. После завершения работы будет очерчена конкретная зона развития или несколько возможных зон, где ветровые установки могут быть установлены с точки зрения физических ограничений.

Карта ограничений планирования

На следующем этапе составляется карта, которая включает физические ограничения наряду с другими факторами, потенциально влияющими на возможность реализации проекта ВЭС.

Для выбора оптимального расположения турбин используется специальное программное обеспечение, которое анализирует риски, связанные с экологическими, социокультурными, юридическими и другими факторами конкретной местности.

Факторы риска включают:

• связь: применение систем микроволновой связи;
• авиация: наличие радаров, зоны низкого полета и закрытые зоны;
• пейзаж: национальные парки и туристические объекты;
• экология: животный мир, особенно птицы и летучие мыши;
• культура: памятники архитектуры и старины.

Обязательные исследования рисков проводятся для районов с активной горнодобывающей промышленностью, а также для районом с проблематичной орографией.

Отчет о рисках строительства

По результатам кропотливой аналитической работы инвестору предоставляется подробный отчет, который включает сами карты ограничений планирования, аналитическую таблицу с классификацией рисков и рекомендации для дальнейшего рассмотрения.

Все ключевые особенности участков анализируются, и для каждого из них определяются количественные риски строительства ВЭС в пределах радиуса оценки. Хотя отчет является субъективным, он дает инвестору хорошее представление об общем уровне риска и моментах, на которых следует сосредоточить внимание.

Обзор будущих застроек

Мы используем сведения о планируемых в ближайшие годы застройках, собранные через соответствующий муниципалитет и другие каналы. Эти данные имеют непосредственное отношение к любым новым инвестиционным проектам в этом районе.

Наши эксперты анализируют местную градостроительную политику и другие аспекты, помогающие прогнозировать ситуацию в районе строительства на 5-7 лет вперед. Часто такой обзор проливает свет на местные проблемы, которые могут представлять дополнительный риск для инвестиционного проекта.

Наконец, специалисты по планированию озвучивают местным органам власти планы в отношении строительства ветряной фермы или отдельных турбин в предлагаемой зоне.

Возможности энергосистемы

Получение официального разрешения на подключение ветряной турбины к электросети является ключевым риском для любого ветроэнергетического проекта.

На этом раннем этапе мы анализируем ограничения емкости сети в конкретном регионе, используя собственные программные инструменты и информацию от оператора сети. Мы обмениваемся консультациями с оператором и получаем сведения о потенциальных проблемах энергосистемы, которые могут повлиять на проект.

Единственным точным способом определения емкости является подача официальной заявки и подписание договора о подключении к энергосистеме. Однако, как правило, это неуместно на раннем этапе из-за высоких расходов — разумно подать заявку на соглашение о подключении к сети параллельно с процессом согласования строительства.

Выработка энергии и финансовое моделирование

Используя данные о ветровых ресурсах и тип турбины, масштаб и положение, определенные на более ранних этапах, мы прогнозируем объемы годового производства электроэнергии.

За дополнительную плату специалисты компании могут выполнить дополнительное моделирование полной энергетической оптимизации. Эта услуга позволяет расположить ветряные генераторы таким образом, чтобы максимизировать выход энергии и минимизировать потери от турбулентности.

После предварительных расчетов мы можем прогнозировать наиболее реалистичный уровень экспорта электроэнергии с учетом предполагаемого использования на места, оценить годовой доход ВЭС и другие финансовые показатели, интересующие инвестора.

Мы также учитываем тарифы на эксплуатацию и плановые ремонт, страхование и другие расходы, чтобы дать вам реалистичные цифры за вычетом эксплуатационных расходов.

Мы также предоставим смету расходов по всему проекту, включая оставшиеся этапы технико-экономического обоснования, получение согласия на строительство, а затем проектно-конструкторские работы и собственно монтаж системы.

Первоначальная оценка коммуникаций

После того, как наиболее подходящее местоположение ветряных турбин определено, мы начинаем консультации с компетентными органами. В ходе консультаций нужно проверить наличие микроволновой связи на предлагаемом участке — это может потребовать корректировки размещения ветроэлектростанции.

На данном этапе требуется тесное взаимодействие с местными органами и владельцами линии связи, вплоть до изменения положения объектов за счет инвестора.

Другой важный момент — дороги. Строительство ВЭС предполагает доставку автомобильными дорогами многотонных негабаритных деталей. Поэтому мы применяем специальные программные инструменты и результаты собственных измерений на месте с целью оптимизации маршрута доставки ветряных турбин.

Оценка включает проверку на острые углы, чрезмерные уклоны, узкие участки и недостаточно прочные мосты. Практика показывает, что на данном этапе возникает множество препятствий, порой требующих изменения всего проекта.

Затем предложенный маршрут отображается на карте, где все проблемные участки идентифицированы с помощью изображений (при наличии) и отнесены к категории низкого, среднего и высокого риска. Мы даем рекомендации для дальнейшей работы, которая требуется для анализа конкретных рисков.

Никакие программные инструменты и онлайн-сервисы не сравнятся с фактическим посещением места строительства и тщательным осмотром территории. Поэтому наши инженеры всегда лично выезжают на места для фотографирования, замеров и дополнительных исследований.

Резюме и оценка рисков проекта

В заключение, в технико-экономическом обосновании строительства ВЭС будет представлено изложение основных проблем и рисков для проекта по всем оцениваемым аспектам, а также соображения для принятия решения о целесообразности реализации.

Стоимость технико-экономического обоснования рассчитывается индивидуально, в зависимости от сложности и масштабов перечисленных выше работ.

Процесс строительства проекта ветроэлектростанции

Добавьте навыки управления проектами — вам действительно нужна команда профессионалов.

Фаза строительства ВЭС начинается с проектно-конструкторских работ.

Для этого используют результаты топографической съемки для определения характеристик грунта и перепадов высот, а также данные геотехнической съемки и проверки удельного сопротивления грунтов для электрической системы заземления.

Данная информация влияет на местоположения основных элементов, таких как турбина, трансформатор и высоковольтная подстанция (если таковая требуется). После определения местоположения основных элементов инженеры могут рассчитать распределение электроэнергии на месте и указать маршруты прокладки кабеля.

Мы работаем с опытными инженерами-строителями, которые проектируют и контролируют основные работы, а при необходимости и заключаем контракты с лучшими подрядчиками по гражданскому строительству, чтобы обеспечить наилучшую стоимость проекта.

Помимо тщательного контроля и отчетности на каждом этапе работы, мы непрерывно поддерживаем связь с инвестором, чтобы обеспечить своевременное выполнение всех пожеланий и при необходимости вносить коррективы в утвержденный проект.

После установки оборудования наши инженеры организуют испытания и ввод в эксплуатацию турбины до выдачи сертификата окончательной приемки.

Мы будем вашим единственным контактным лицом на протяжении всего процесса строительства. Принцип нашей работы прост и надежен: мы строим ветряки — вы занимаетесь основным бизнесом и ни о чем не беспокоитесь.

Этапы строительства проекта ветряной электростанции

Ветротурбина состоит из четырех основных частей: фундамент, башня, гондола и ротор с лопастями.

Ротор преобразует энергию ветра во вращательное движение.

Гондола содержит электрический генератор и другие компоненты, которые преобразуют механическое вращение ротора в электричество.

Башня поддерживает гондолу и ротор.

Вся эта конструкция, генерирующая мощность от нескольких сотен киловатт до 8 мегаватт, достигает 120 метров в высоту и имеет диаметр ротора до 150 метров. Масса современного ветрогенератора может достигать нескольких тысяч тонн.

Чтобы доставить на место, смонтировать, подсоединить к электрической системе, а впоследствии обслуживать и ремонтировать эту гигантскую установку, необходимы масштабные подготовительные и строительные работы.

Одним из первых шагов в процессе строительства является расчистка территории и обустройство гравийных подъездных путей. Подъездные пути строятся от существующих дорог общего пользования до турбины, чтобы обеспечить доступ к оборудованию для строительства, текущей эксплуатации и технического обслуживания.

Временные подъездные пути строятся в коридоре шириной порядка 12-15 метров.

Перед укладкой гравия снимается верхний слой почвы, уплотняется грунт и укладывается сверхпрочное геотекстильное покрытие. После окончания строительства подъездные пути преобразуются в небольшие постоянные дороги шириной около 5 метров.

Таким способом можно подвозить очень тяжелые грузы даже в удаленную сельскую местность, где отсутствуют нормальные автомобильные дороги. К участку строительства от ближайшего водозабора подводится трубопровод, который нужен для работы на площадке.

Чтобы установить турбину, нужны два подъемных крана. Меньший кран используется для установки системы управления турбиной, основания, нижней части башни. Он используется для сборки ротора. Более крупный кран нужен для монтажа верхней средней и верхней частей башни, а также гондолы и ротора на большой высоте.

Из-за размера, веса и низкой скорости этого большого крана он не может двигаться по дорогам общего пользования; поэтому необходимо проложить специальные подъезды. Успешность этой стадии закладывается на этапе исследования участка.

Обычно временные дороги к будущей ветроэлектростанции так или иначе пересекает сельскохозяйственные угодья. Этому предшествует тщательная юридическая работа с владельцами земель, а также выплата компенсаций за потерянный урожай.

Электрическая система ВЭС представляет собой сеть из подземных электрических кабелей, которые проходят от каждой турбины и подают электроэнергию в общую сеть. Требования к траншеям под прокладку кабелей, в том числе минимальная глубина, варьирует в зависимости от требований вашей страны и особенностей проекта.

Первые шаги в строительстве фундамента — это удаление верхнего слоя грунта и выкапывание котлована около 20 метров в диаметре и 3 метра в глубину. Впоследствии по центру устанавливается железобетонное основание, вершина которого остается над поверхностью земли и служит для установки башни.

После завершения строительства фундамента и засыпки участка сооружается площадка для крана, позволяющая установить турбину. Площадь составляет приблизительно 20х30 метров и останется после строительства для плановых работ по техническому обслуживанию ветроэлектростанции, а также для модернизации оборудования.

Услуги по эксплуатации, ремонту и модернизации ветряных электростанций

Впоследствии ответственность за поддержания работоспособности и безопасности оборудования ложится непосредственно на плечи владельца ветряной фермы.

Поскольку стоимость современных мультимегаваттных турбин составляет до миллиона долларов за мегаватт, O & M является ключом к прибыльности ветрового проекта.

Техническое обслуживание ВЭС — это любой процесс, направленный на поддержание ветряных турбин в исправном рабочем состоянии.

ТО включает регулярное смазывание движущихся частей (редукторы, подшипники), проверку соединения внутри систем, неотложное решение технических проблем и настройка оборудования.

В настоящее время затраты на эксплуатацию и обслуживание ветряных электростанций исчисляются десятками тысяч евро за мегаватт. Скажем, в США средняя стоимость ТО и эксплуатации ветрогенераторов превышает $50000 за МВт и растет на 3-5% в год.

С точки зрения безопасности и доходности ваших инвестиций чрезвычайно важно, чтобы оборудование ВЭС всегда содержалось в оптимальном рабочем состоянии. Это уменьшает потери, связанные с непредвиденным простоем и ремонтом.

Наши инженеры предлагают полный комплекс профессиональных услуг по эксплуатации, техническому обслуживанию и периодической модернизации ветряных ферм под ключ.

В этом процессе принимают участие многочисленные техники, инженеры и инспекторы по техническому обслуживанию. Наши супервайзеры контролируют работу персонала и решают любые административные вопросы, включая отчетность. Супервайзеры могут также содействовать с ремонтом ветряных турбин, когда это необходимо

Процесс наблюдения за техническим состоянием ВЭС максимально автоматизирован. Датчики, расположенные в ключевых точках каждой турбины, отправляют ключевые данные специалистам по техобслуживанию. Эти данные включают информацию об уровне смазки, вибрации, температуре и даже смещении фундамента — все это используется для планирования технического обслуживания.

Например, если вихревые датчики ветра показывают слишком большую вибрацию в валу турбины, это может указывать, что вал слишком смещен и его необходимо перестроить.

Когда турбина требует техническое обслуживание, мы назначаем ответственного специалиста и незамедлительно решаем вопрос.

Ветряной электростанции с 200-300 турбинами потребовалось бы множество собственных специалистов и дорогостоящих технологий, чтобы поддерживать их все в пиковом рабочем состоянии. Мы берем на себя заботы владельца, предлагая персонализированные технические решения с оптимальной стоимостью / эффективностью.

Вопросы инвесторов по строительству и обслуживанию ветроэлектростанции

Какова средняя мощность ветрогенератора?

Например, ветротурбина с диаметром ротора 52 метра обычно имеет максимальную выходную мощность 800 кВт, а турбина с диаметром ротора 82 метра имела бы максимальную выходную мощность от 2,5 до 3 МВт.

Для наземных ветряных турбин, как правило, самые крупные имеют мощность около 3 МВт, хотя существуют модели с ротором на 126 или даже 140 метров, выдающие по 7,5-8 МВт.

В приведенной ниже таблице показаны общедоступные средние и большие ветряные турбины, а также диаметр ротора, высота башни и максимальная выходная мощность.

Существует много факторов, которые необходимо учитывать при определении параметров ветряной турбины. Это и согласие сообщества, и близость к домам, визуальное воздействие, экология, авиационное сообщение, транспортная доступность участка, возможности энергосистемы и бюджет инвестиционного проекта.

Сколько энергии может генерировать ветряная электростанция?

Вы можете использовать ее для своего предприятия, можете продавать государству и обеспечивать себя бесперебойным источником питания в любых обстоятельствах.

Но сколько энергии можно генерировать с помощью ВЭС?

Некоторые инвесторы бывают одержимы желанием получить максимально возможную выходную мощность от ветряной турбины, но это действительно не имеет значения.

Когда вы продаете электричество, вам платят в зависимости от количества кВтч (киловатт-часов), а не за максимальную мощность. Энергия — это способность выполнять работу, но мощность — это скорость, с которой можно выполнять работу. Это сродни понятиям километров и километров в час: явно связанные, но принципиально разные.

Количество вырабатываемой энергии ветра зависит в основном от размера ветряной турбины и среднегодовой скорости ветра на конкретной площадке. Есть и другие моменты, которые влияют на выработку энергии, включая близлежащие холмы, деревья здания или же другие ветряные турбины, а также эффективность данной модели турбины.

Если предположить, что турбина безупречного качества и установлена в идеальном месте, тогда наиболее важным фактором будет среднегодовая скорость ветра. В нижеприведенной таблице указана годовая выработка электроэнергии для трех моделей турбин.

Хотя перечисленные выше модели очень хорошего качества, мы работаем и с другими установками европейского и американского производства.

Обратите внимание, что действительно точные оценки выработки электроэнергии требуют точных данных о ветре, измеренных на площадке, и огромной работы по моделированию на специализированном программном обеспечении ветра. Приведенные выше показали являются отправной точкой для первоначальных оценок.

Вы заметили, что производство энергии от ветряных турбин увеличивается непропорционально по сравнению с увеличением среднегодовой скорости ветра. Например, увеличение среднегодовой скорости ветра с 6,5 до 7,0 м / с — это увеличение скорости ветра на 8%, но прирост годовой выработки электроэнергии составляет около 14%.

Это связано с тем, что выходная мощность ветротурбины пропорциональна кубу скорости ветра в конкретной точке. Принципиально важно, чтобы ветряные турбины находились там, где локальная скорость ветра достигает максимальных значений.

Как выбрать участок для строительства ветроэлектростанции?

1. Высокая скорость ветра

Как правило, подходящая площадка будет располагаться на вершине холма или в широком открытом пространстве без каких-либо препятствий поблизости.

Количество энергии, генерируемой ветровой турбиной, пропорционально кубу скорости ветра. Это означает, что увеличение средней скорости ветра с 6 м/с до 7 м/с приводит к росту мощности на 60% от этой же турбины и увеличению годового производства энергии на 36%.

Чрезвычайно важно, чтобы ветряные электростанции располагались в оптимальных местах и подвергались воздействию сильнейших ветров на протяжении большей части времени.

Ваша местность кажется неподходящей? Сегодня у производителей ветряных турбин появилась тенденция к выпуску установок с роторами увеличенного диаметра.

Как правило, это традиционные турбины с увеличенным ротором, площадь которого на 100% больше по сравнению со стандартной моделью. Это позволяет турбине собирать достаточное количество энергии с площадки, которую всего 4-5 лет посчитали бы неподходящей.

Таким образом, любой участок земли, который имеет среднегодовую скорость ветра 7 м/с и более, считается подходящим для ветровых турбин. На самом деле многие участки с ветрами всего 5+ м/с, сегодня могут быть жизнеспособными вариантами при использовании специальных турбин с увеличенным диаметром ротора.

2. Удаленность от чувствительных к шуму соседей

Современные ветряные турбины удивительно тихие, но даже при этом для достижения согласия по планированию необходимо соблюдать очень строгие максимальные уровни шума. Минимальное расстояние варьирует в зависимости от размера турбины, но приблизительные цифры составляют около 300-600 метров.

Например, для небольшой турбины E-3120 на 55 кВт минимальная удаленность от чувствительных к шуму соседей — 250 метров. Для установок мощностью 0,8-1 МВт это расстояние составляет около 450-500 метров, для самых мощных ветряных турбин мощностью 3+ МВт речь идет о расстояниях в 700 метров и более.

3. Надежное подключение к энергосистеме

Все ветряные турбины, которые мы поставляем, требуют надежного подключения. Вам понадобится подходящий трансформатор или подстанция, а также соответствующие линии электропередач. Конкретные параметры наши специалисты согласовывают с энергораспределительной компанией при подготовке проекта.

4. Хороший транспортный доступ к участку

Ветровые турбины большие и тяжелые, поэтому подъездные пути к площадке должны быть способны выдерживать негабаритные грузы, не иметь слабых мостов, чрезмерно узких углов или крутых уклонов.

Для установок высокой мощности требований к транспортному доступу больше. Если элементы турбины мощностью 55 кВт можно доставлять на стандартных полуприцепах, то более крупные доставляют специальными прицепами для перевозки негабаритных грузов.

5. Никаких особых экологических и ландшафтных объектов

Старые возражения против ветровых турбин из-за столкновений с перелетными птицами в настоящее время признаны необоснованными, но даже при этом было бы целесообразно не устанавливать ветряные турбины в области миграции пернатых.

Торфяные болота также неподходящее место для строительства ветроэлектростанции.

Ветровые турбины очень хорошо просматриваются, поэтому места с ландшафтными, поэтому в большинстве стран власти не выдадут разрешение на строительство ВЭС в национальном парке или районах выдающейся природной красоты.

Если ваш участок соответствует основным требованиям, свяжитесь с нами, и мы проведем бесплатную предварительную проверку на предмет возможного развертывания ВЭС.

Насколько шумные ветряные электростанции?

На самом деле любой, кто стоял близко к современной ветротурбине, знает, как мало шума создают эти установки. Местные правила в разных странах варьируют, однако большинство органов допускают свободное функционирование объектов с уровнем шума 35-40 дБ.

35 дБ (A) — это приблизительно уровень шума в тихой библиотеке или тихий разговор.

Именно такой уровень шума характерен для большинства современных ветроэнергетических установок, которые мы устанавливаем в Испании, России и других странах мира.

Многие ветряные турбины находятся в доступных местах и совершенно безопасны для прогулок, посещения туристами и так далее. Отойдя на 400-500 метров от ветротурбины средней мощности вы вряд ли вообще будете слышать ее работу.

Можно ли увеличить скорость ветра для заработка на ветроэнергии?

Очевидно, что ветер — естественное явление, выходящее за рамки манипуляций человечества, но есть одна вещь, которую можно сделать для увеличения скорости ветра с целью дополнительного заработка на генерации ветроэнергии.

Установите ветротурбину выше или же просто закажите более высокую башню.

По мере того как ветер приближается к земле, он теряет часть скорости из-за трения, так как трется о любую неровность рельефа. Это так называемая «шероховатость поверхности», или surface roughness. По понятным причинам шероховатость поверхности может быть недостаточной в районах с открытыми вспаханными полями.

Обратная ситуация наблюдается в лесистой местной, районах со сложным и разнообразным рельефом с островками городской застройки, лесопосадок или живых изгородей.

Влияние шероховатости поверхности на среднегодовую скорость ветра экспоненциально уменьшается с высотой ветряных турбни. Подъем установки на большую высоту ведет к значительному увеличению выработки энергии и доходности инвестиций.

Грубо говоря, для типичной сельской местности на каждый 1 м увеличения башни ветряной турбины ежегодное производство энергии увеличивается на 0,5%. Поэтому в финансовом отношении всегда лучше выбрать самую высокую из доступных башен при условии, что вы сможете получить согласие властей на строительство такой конструкции.

Приведем пример. На участке, где среднегодовая скорость ветра у земли составляет 6 м/с, аналогичный показатель на высоте 59 м достигает 7,2 м/с, а на высоте 72 м — уже 7,45 м/с.

Это означает увеличение годовой выработки энергии на 6% путем простого увеличения высоты башни на 13 м, что вполне стоит умеренного роста стоимости строительства.

Можно ли использовать энергию ветра без подключения к сети?

Быть в состоянии отключиться от сети и обеспечить себя электроэнергией очень сложно, потому что вам потребуется сбалансировать подачу электроэнергии от ветряной турбины. Последняя постоянно меняется в зависимости от скорости ветра и нагрузок.

Полностью автономная эксплуатация ветротурбины без подключения к сети возможно с маломощными (до 10 кВт) установками. Это достигается с помощью батареи для хранения избыточной энергии от ветряной турбины, которая затем может использоваться для удовлетворения более высоких потребностей в энергии.

Хотя в принципе это может сработать и для более крупных турбин, требуемые батареи чрезмерно дорогие, и ни один крупный производитель ветряных турбин не продаст вам турбину для автономной работы из-за риска для собственной репутации.

Следовательно, ветряные турбины средней и большой мощности должны быть подключены к сети, и в случае отключения электроэнергии они автоматически отключатся и перезапустятся только после восстановления питания.

Каков приблизительный срок службы ветряной турбины?

В зависимости от ветра и турбулентности на участке, турбина может работать 25 лет и даже дольше, хотя, как и для любой механической установки, затраты на техническое обслуживание неуклонно возрастают с возрастом техники.

Маловероятно, что ветротурбина прослужит дольше, потому что они подвергаются экстремальным нагрузкам на протяжении службы. Отчасти это связано с формой ветряной турбины, где ключевые элементы (лопасти и башня) закреплены в одной точке и подвергаются действию достаточно большой силы ветра.

Из-за конструктивных особенностей нагрузки на отдельные элементы ветротурбина практически в 100 раз больше «проектных нагрузок» при номинальной скорости ветра — вот почему турбины автоматические отключаются, чтобы защитить себя при ветре выше 25 м/с.

Это достаточно сложный, чувствительный к условиям эксплуатации и потенциально опасный механизм. Несоблюдение нормативов эксплуатации может повлечь серьезные последствия, в том числе финансового характера. Поэтому нарушать сроки эксплуатации ветроэнергетических установок не рекомендуется.

Видео: этапы подготовки, сборки и установки ветряной электростанции

В нашей команде работают опытнейшие европейские инженеры по ветроэнергетике.

В наших руках самые современные инструменты для реализации вашего инвестиционного проекта, от технико-экономического обоснования до согласования и строительства ВЭС.

Если вы интересуетесь инвестированием в ветроэнергетику, предлагаем провести консультации, обсудить ваши планы, источники финансирования и другие возможные нюансы.

Наши услуги:

• Подготовка ТЭО проекта.
• Создание и управление SPV.
• Финансирование проектов / инвестиционное кредитование.
• Финансовый консалтинг / моделирование.
• Кредитные гарантии.
• Привлечение финансирования.
• Инженерное проектирование.
• Промышленный инжиниринг.
• Энергетический инжиниринг.
• Cтроительство и модернизация.
• Эксплуатация и безопасность объектов.

особенности, цена, преимущества и недостатки.| UA Energy

К сожалению, ископаемое топливо не безгранично. С каждым годом запасов становится все меньше. Чтобы не наступил момент полного истощение ресурсов человечество дошло до альтернативной энергетики. Другими словами, теперь человек может получать электричество из энергии солнца, ветра, воды. В этой статье мы рассмотрим что такое ветряная электростанция и как она работает, какие типы ВЭС существуют, разберем все их достоинства и недостатки. Кроме того мы приведем примеры известных мировых и украинских производителей ветряков, которые можно найти на рынке.

Принцип работы ветровой электростанции

Вне зависимости от типа электростанции, ее принцип работы заключается в одном: поток ветра определенной силы раскручивает лопасти ветрогенератора. Буквально происходит следующее — подвижная часть вращается, передавая это же вращение непосредственно на генератор. Благодаря этому в системе и образуется электропоток. 

Далее он заряжает установленные аккумуляторы, которые подключены к инверторам. Они, в свою очередь преобразовывают полученный ток в обычное напряжение, которое необходимо для питания приборов, оборудования и техники. Для получения большего объема мощности отдельные ветрогенераторы соединяют в сеть, образуя при этом ветровую электростанцию.

Если же разделить ВЭС на два основных типа, то они бывают роторными и крыльчатыми. Первые оснащены вертикальной осью вращения, за счет чего более удобные в работе, малошумные и не привязаны к направлению ветра. Но, в свою очередь, роторные станции считаются менее эффективными и производительными и чаще всего устанавливаются на мелких, частных станциях.

Для выработки энергии в больших, промышленных масштабах, используют крыльчатые установки. Однако же в обслуживании и монтаже куда сложнее. Крыльчатые ветряки важно располагать в правильно направлении ветра для получения большей производительности.

Уcтpoйcтвo и виды вeтpoвых элeктpocтaнций

ВЭС вырабатывает электроток благодаря энергии ветра. Промышленные и крупные ветровые станции состоят из нескольких больших ветряков, которые соединены в одну сеть. Их мощности хватает для обеспечения электричеством сел, поселков и городов. Мелкие станции вырабатывают меньше мощности, но даже ее может хватить на удовлетворение энергопотребности небольшого массива. 

По функциональности ветровые электростанции можно разделить на:

• стационарные;
• мобильные.

В зависимости от расположения ВЭС бывают:

• наземные;
• прибрежные;
• плавающие;
• офшорные.

Также станции можно разделить по типу конструкции:

• роторные;
• крыльчатые.

Преимущества и недостатки ВЭС

Самым основным достоинством ветровой станции является независимость от ископаемого топлива. Для работы и генерации электричества ВЭС использую полностью бесплатный источник — ветер. К тому же, ветропарк не наносит природе никакого урона, как, например, гидроэлектростанции. То есть, можно сказать, что ВЭС — экологически чистая и безвредная методика получения энергии.

Однако можно выделить и некоторые недостатки, среди которых основным можно выделить высокую стоимость оборудования. В результате это влияет и на цену конечного продукта — ветровой энергии. Говоря о финансовой стороне стоит упомянуть долгую и практически отсутствующую окупаемость оборудования. Кроме того для сбережения энергии также требуется большое количество аккумуляторов, поскольку ветер не всегда есть, что провоцирует перебои в генерации. Среди минусов можно также назвать высокий шум от работы ветряков и низкий уровень КПД, который практически невозможно увеличить. 

Вeдyщиe мировые производители 

Поскольку рынок альтернативной энергетики непрестанно растет и развивается, существует огромное количество компаний, специализирующихся на строительстве ветрогенераторов. Среди большого количества компаний мы выделили пятерку самый популярных и надежных.

Датская компания Vestas

Предприятие Vestas Wind Systems A/S одним из первых начало производство, установку и обслуживание ветрогенераторов еще в 1986 году. С тех пор она добилась колоссальных успехов в отрасли альтернативной энергетики. Vestas являются одним из самых крупных застройщиков ветроэлектростанций. На счету предприятия около 10 тысяч МВт мощности со всех произведенных единиц.

Немецкое производство Nordex

Компания была основана в 1985 году, еще до того как в первой половине 90-х годов увеличился спрос на ветряные турбины в мире. С самого начала Nordex сосредоточились на больших и мощных турбинах. Всего за два года, в 1995, компания установила самую большую в мире ветряную турбину N54 на 1000 кВт. С серийно выпускаемыми мульти-мегаваттными ветряными турбинами Generation Gamma, компания может предложить высокоэффективные ветряные турбины для наземного использования. С 2013 года Nordex выпускает Delta Generation для сильных, средних и слабых ветров.

Немцы Superwind

Она просто разрабатывает, проектирует и производит свою продукцию наивысшего качества, чтобы удовлетворить потребности клиентов. Компания тесно сотрудничает с системными интеграторами и высококвалифицированными дистрибьюторами по всему миру.

Испанская компания Ecotecnia

Ecotècnia была производителем и установщиком ветряных турбин, основанным в 1981 году с главным офисом в Барселоне. Первым ветрогенератором компании была установка мощностью 30 кВт, разработанная в 1984 году при финансовой поддержке Министерства науки Испании. Со временем и активным развитием компания увеличила выходную мощность своей ветряной турбины до 1,67 МВт. А к 2007 году Ecotècnia установила ветряные электростанции с общей мощностью более 1 ГВт. Основным продуктом, которые завоевал весь мир, является морская ветряная турбина Haliade мощностью 6 МВт, одна из самых мощных турбин на Земле.

Французское предприятие Vergnet

Компания Vergnet, основанная в 1989 году, обладает более чем 25-летним опытом инженерного совершенства. Главный офис находится в Орлеане, Франция. В штате компании числится 166 сотрудников в 10 офисах по всему миру, работающих в более чем 40 странах. На сегодняшний день Vergnet установили более 900 ветровых турбин, выполнили более 45 МВт солнечных проектов и разработали ряд уникальных гибридных энергетических решений, включая первый в своем роде Hybrid Wizard™. Всемирная ветроэнергетическая ассоциация (WWEA) вручила Vergnet престижную премию World Wind Energy Award 2013, ежегодно присуждаемую отдельным лицам и организациям, которые внесли огромный вклад в использование энергии ветра во всем мире.

Украинские производители ветровых турбин

Украинское производство еще не настолько развито, чтобы конкурировать с иностранными компаниями. Однако одно из самых крупных производств ветряных мельниц не для промышленного использования принадлежит предприятию FLAMINGO AERO. Мощность из ветрогенераторов варьируется от 0,8 до 20 кВт. 

Также стоит выделить фирму Winder, которая уже на протяжении 14 лет обеспечивает ветряными генераторами частные дома и небольшие предприятия.

Но несомненным лидером украинского рынка смело можно назвать «Фурлендер Виндтехнолоджи». Они первые и единственные на территории стран постсоветского пространства, кто производит ветрогенераторы мультимегаватного класса. 

Самая большая электростанция

Самый крупный по габаритам и производимой мощности ветрогенератор в мире считается Энеркон Е-126 (Enercon E-126). Производитель гиганта — немецкая компания, специализирующаяся на проектировании, строительстве и монтаже ветровых электростанций. Первый такой ветряк был установлен еще в 2007 году в немецком городе Эмден. Тогда его мощность составляла 6 МВт. Позже, в 2009 году, провели модернизацию турбины, увеличив мощность до 7,58 МВт. Отметим, что какой бы ни был надежный ветрогенератор, его мощность все равно колеблется в зависимости от погодных условий.

Но что остается неизменным, так потрясающие размеры. Ветряк имеет высоту основной колонны в 135 метров, а диаметр подвижного ротора равен 127 метрам. То есть, если лопасть поднимается вверх, общая высота сооружения достигает 198 метров. А вес ветряка равен 6000 тоннам.

На фото ниже мы покажем размеры этого гиганта. На первой картинке может показаться, что лопасть ветряка просто огромна, однако это только ее половина. 

На втором фото представлена целая лопасть Энеркона. 

Также представлены фото, где ветряк можно сравнить с другими вещами, привычного нам размера.

Oбзop пoпyляpных моделей мировых производителей

Датская компания Vestas выпускает ветротурбину V112. Отличительной особенностью этой модели является то, что предприятие производит как морскую турбину, которую можно размещать на шельфовой зоне, так и береговую. Представляют собой турбины Vestas огромные промышленные ветряки, у которых диаметр ротора равен 112 метрам, а номинальная мощность — 3000 кВт. Ветряк функционирует на разной скорости ветра — от 4 до 23 м/с. Шесть таких ветряков были установлены в 2017 году во Львовской области, на ВЭС “Старый Самбор-2”.

Еще один промышленный ветряк, но уже украинского производства от компании “Фурлендер Виндтехнолоджи”. WTU-2.0 имеет номинальную мощность в 2 мВт, а диаметр ротора достигает 100 метров. Минимальная скорость ветра, при которой работает ветряк, 3 м/с, а максимальная — 25 м/с. 22 ветряка WTU-2.0 от “Фурлендер Виндтехнолоджи” были введены в эксплуатацию в Казахстане.

Немецкая компания Enercon выпускает три модели наземных ветряков E66 разной мощности: 1500 кВт, 1800 кВт и 2000 кВт. Диаметр их ротора неизменен, несмотря на разную производимую мощность, и равен 66 метрам. Трехлопастные ветряки работают при минимальной скорости ротора в 8 об/мин и максимальной в 22 оборота в минуту. 

Также в Германии есть предприятие, выпускающее небольшие ветряки, схожие больше для частного использования. Как пример — Nordex N27, которые включают в себя турбины разной мощности: 150 кВт, 225 кВт и 250 кВт. Диаметр роторной подвижной части достигает 27 метров. Это старые модели, которые теперь сложно найти на рынке новыми и продаются они в основном в состоянии б/у. Средняя цена варьируется между 22 и 25 тысячами евро.

Невероятную производительность также имеет ветровой генератор Siemens SWT-7.0-154. Его мощность достигает 7 МВт, а диаметр движущейся части — 154 метра. Гигант работает при минимальной скорости ветра в 3 м/с и при максимальной в 25 м/с. Трехлопастный ветряк работает на прямом приводе и на одном генераторе. Стоимость формируется индивидуально для заказчика, исходя из объемов производства и количества ветряков.

Научная модель способна выбрать месторасположение ветропарка и спрогнозировать его производительность

Ветер всегда есть в том или иной местности, но определить конкретный район размещения ветроэлектростанции немного сложнее, чем просто подняв вверх смоченный слюной палец. Теперь в распоряжении команды исследователей университета штата Пенсильвания есть модель, которая способна не только обнаружить лучшую возможную площадку для новой ВЭС, но даже помочь в составлении прогноза энерговыработки на ближайшие 24 часа.

«Обычно при планировании ветряной электростанции ищется подходящая местность со средней скоростью ветра – не слишком высокой и не слишком низкой – но постоянной», – поделился профессор географии, метеорологии и науки об атмосфере Гвидо Сервоун (Guido Cervone). Мы обнаружили более точный и эффективный способ оценить на конкретных площадках постоянство скорости ветра, т.е. ключевой фактор, учитываемый при рассмотрении вопроса о строительстве новой ветроэлектростанции. С ископаемыми источниками энергии и мирным атомом можно заранее знать, какой будет энерговыработка. Но с ветром всё не так просто».

Для производства электроэнергии важно не только местоположение, но также важно иметь возможность предсказать, сколько энергии ветра ветропарк сможет получить в течение последующих 24 часов. Когда поставщики электроэнергии закупают электроэнергию, произведенную ВЭС, они хотят надёжности. Операторы ВЭС, в свою очередь, регулярно продают выработанную электроэнергию поставщикам, но и последние также хотели бы иметь возможность планировать за сутки, какой объём первые смогут выработать.

«Поставщикам электроэнергии необходимо знать, сколько электроэнергии можно приобрести ещё за день до непосредственной покупки», – заявил г-н Сервоун, который также является по совместительству директором институт кибернетической науки при университете штата Пенсильвания. «У них должны быть надёжные источники, потому что прекращения электроснабжения допустить нельзя. Они также не хотят покупать излишки на оперативном рынке электроэнергии, потому что такие покупки, произведённые в тот же день, обходятся дороже».

Для анализа ошибок в прогнозах производства электроэнергии ветроэлектростанциями по всей стране Сервоун и Мехди Шахриар (Mehdi Shahriar), недавно получивший степень доктора наук в области энергетики и минералогии в университете штата Пенсильвания, использовали технологию «Analog Ensemble» (AnEn), разработанную американским Национальным научно-исследовательским центром по изучению атмосферы.

AnEn использует среднестатистические сведения о прошлых наблюдениях и прогнозах, охватывающих периоды от нескольких месяцев до двух лет, что является более предпочтительным вариантом. Технология составляет вероятностную модель прогноза погоды, в конкретном случае – доступности ветра для производства электроэнергии.

«Было отмечено, что в районах, где зафиксирована более высокая средняя скорость ветра, ей сопутствует и бόльшая степень неопределённости прогнозов, что усложняет успешное прогнозирование скорости ветра в таких местах», – говорится в недавнем отчёте исследователей.

Воспользовавшись прошлыми прогнозами с потенциальных площадок для размещения ветропарков, строители смогут выбрать места, вероятно, с более низкой средней скоростью ветра, но при этом более постоянной и предсказуемой.

С помощью подхода, используемого исследователям, нельзя просто ответить «да» или «нет» на вопрос о том, будет ли на некотором участке ветер. Модель используется для создания кривой распределения вероятностей наличия ветра, необходимого для генерации, основываясь на которой компании смогут принимать решения, полностью осознавая риски. Если модель покажет, что вероятность наличия ветра, достаточного для производства электроэнергии, составляет около 80 %, то как владельцы ВЭС, так и покупатели электроэнергии будут знать, что особых рисков нет. Если же вероятность составит 20 %, то, несомненно, обе стороны будут понимать, что полагаться на энергию ветра в целях генерации в некоторой местности – слишком опрометчиво.

«Раз мы сможем предсказать скорость ветра, то сможем предсказать, и сколько энергии выработаем за определённый период», – считает Сервоун.

Представленная модель показывает чрезвычайно эффективные результаты. Она берёт за основу текущий прогноз, далее просматривает среднестатистические данные на предмет совпадений и указывает фактическую скорость ветра и его продолжительность в конкретный ранее зафиксированный период времени.

«Она эффективна в вычислительном отношении», – заявляет Сервоун. «Может непрерывно работать с большими объёмами данных без особых проблем».

Источник: www.sciencedaily.com

Проект новой морской ветряной электростанции Далянь Чжуанхэ III компании China Three Gorges

Проект

Компании China Three Gorges New Energy и Dalian Power Generation, владельцы многих шельфовых ветрогенераторных предприятий в Китае, заключили подрядный договор с Шанхайским проектно-исследовательским институтом (SIDRI) на проектирование морской ветряной электростанции в заливе Бохайвань. Строительство крупного проекта, включающего в себя 72 ветрогенератора общей мощностью 300 мегаватт и подстанцию на 220 киловольт, должно было осуществляться на дне моря со впадинами и пещерами. Также было необходимо, чтобы конструкция обеспечивала защиту башен ветрогенераторов от льда в зимние месяцы. Компания SIDRI никогда раньше не сталкивалась с проектами такого масштаба и уровня сложности.

Решение

Поскольку сроки исполнения были слишком сжатыми для применения традиционных методов 2D проектирования, SIDRI обратился к решениям 3D BIM и использовал OpenPlant и OpenBuildings для создания цифровой модели iTwin всей ветряной электростанции, в том числе для платформы морской подстанции. Проектная команда проанализировала сложный рельеф шельфа и определила места, в которых подводный грунт может выдержать нагрузку башни ветрогенератора, и оптимизировала проект фундамента. С помощью итеративного 3D-моделирования специалисты смогли внести усовершенствования во все аспекты конструкции ветряной электростанции, в частности, создать конусы для защиты от льда. За счет утолщения участка башни в форме конуса на поверхности воды был обеспечен более эффективный отвод льдин от башни, чем при более узкой поверхности. Также проектная команда создала специальную библиотеку моделей соединений стальных конструкций в приложениях Bentley для 3D проектирования, с помощью которой стало возможным автоматизировать размещение таких соединений.    

Результат

Проводя все работы в открытой единой среде данных с точной цифровой моделью iTwin, SIDRI выявил и устранил более 80 коллизий, сэкономив таким образом 400 человекодней на внесение изменений в проект, 100 человекодней на корректуру, 70 человекодней на устранение ошибок на объекте и 3 миллиона юаней дополнительных расходов. В целом, 3D проектирование и визуализация помогли проектной команде сэкономить 500 человекодней на проектирование и 50 миллионов юаней, при этом удалось оптимизировать проектные элементы и преодолеть препятствия, обусловленные особенностями рельефа и погоды. SIDRI планирует применять такие же методы проектирования в разработке морских ветряных электростанций в будущем, рассчитывая на экономию около 5 миллионов юаней на проект.

Программное обеспечение

С помощью SACS и OpenWindPower SIDRI смог проанализировать сложный рельеф местности, спрогнозировать конструкционные характеристики и оптимизировать проект фундамента. Компоненты индивидуальных цифровых 3D моделей iTwin были созданы с помощью OpenBuildings Designer, Bentley Raceway Design и Cable Management, OpenPlant и ProSteel, которые помогли повысить эффективность комплексной инженерно-технической разработки конструкции, трубопроводной системы, механических и электрических компонентов. Компания SIDRI построила открытую единую среду данных с помощью ProjectWise. Все индивидуальные элементы проектирования были объединены в Navigator, что помогло членам команды работать вместе и автоматически выявлять и устранять коллизии.

Список ПО, использовавшегося в проекте: MicroStation, Navigator, OpenBuildings Designer, OpenPlant, OpenWindPower (в том числе SACS), ProjectWise, ProSteel

Неравномерное размещение ветряков повысило эффективность электростанции на 30%

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Физики из Бельгии и США построили миниатюрную модель ветряной электростанции, состоящей из ста ветряков, рассмотрели 56 различных расстановок генераторов и выяснили, при какой из них мощность станции максимальна. Оказалось, что меньше всего энергии теряется в том случае, если ряды ветряков сильно неравномерно — в этом случае средняя мощность ветряка станции составляла около 60 процентов от мощности одиночного ветряка. Это примерно на 30 процентов больше, чем при равномерной расстановке ветряков. Статья опубликована в Physical Review Fluids, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Чтобы увеличить количество электроэнергии, извлекаемой из ветра, и уменьшить стоимость постройки, ветряки часто объединяют в ветряные электростанции (также их называют фермами). Крупные ветряные электростанции содержат сотни турбин (а крупнейшие — тысячи), выстроенных в несколько рядов. К сожалению, близко расположенные ветряки поглощают импульс ветра, создают турбулентности и мешают друг другу — в зависимости от плотности расположения ветрогенераторов, погодных условий и режима эксплуатации, средняя мощность ветряка в ферме может достигать порой только 50 процентов от мощности отдельно стоящего генератора. Станции из-за этого теряют около половины доступной энергии, поэтому физики активно исследуют, как потоки воздуха распространяются внутри фермы, и пытаются уменьшить потери.

К сожалению, существующие аналитические модели только в общих чертах ухватывают динамику происходящих процессов, а численное моделирование требует слишком много ресурсов ввиду сложности уравнений гидродинамики. Тем не менее, физики смогли вывести несколько общих закономерностей, позволяющих повысить мощность фермы. Во-первых, ученые предложили увеличить интервал между ветряками, ориентированными по направлению ветра, — например, разместить их в шахматном порядке. Во-вторых, более аккуратные исследования показали, что небольшие отклонения от идеально шахматного порядка позволяют повысить мощность станции еще на несколько процентов. В третьих, в больших фермах, состоящих из нескольких рядов генераторов, важную роль играет вертикальный перенос энергии между потоками воздуха, которые направлены на турбину или пролегают около поверхности земли. Как бы то ни было, универсального правила размещения турбин, позволяющего извлечь из ветра максимум энергии, до сих пор не существует, и физики продолжают искать оптимальную конфигурацию.

Группа ученых под руководством Юлиана Боссёйт (Juliaan Bossuyt) экспериментально изучила, как расположение ветряков сказывается на мощности ветряной электростанции, и неожиданно обнаружила, что наибольшей эффективности можно добиться, размещая генераторы через неравномерные интервалы. Для этого физики построили макет миниатюрной ветряной фермы из ста ветряков, собранных в двадцать рядов (пять ветряков в каждом ряду). Численно смоделировать такую систему в настоящее время невозможно. Характерный диаметр каждого ветряка D находился в диапазоне от 2,5 до 7 сантиметров, а расстояние между рядами и ветряками в ряду составляло примерно 5—7D.

Фотография модели ветряной электростанции

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Схема модели, вид сбоку

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Давление воздуха, который обдувал мини-ветряки, было нормальным, поэтому физикам пришлось скорректировать форму ветряков, чтобы приблизить число Рейнольдса модели к числу Рейнольдса в реальной задаче. Для этого исследователи заменили турбину ветряка пористым диском, который замедляет проходящий поток воздуха. В результате число Рейнольдса для наблюдаемых потоков находилось на уровне Re ~ 10⁴, что согласуется с числами для настоящих ветряных ферм. Авторы статьи отмечают, что потоки воздуха вблизи пористого диска отличаются от потоков вокруг турбины, однако на больших расстояниях (порядка нескольких диаметров ветряка) все такие особенности перекрываются внешними турбулентностями. Следовательно, система с пористыми дисками должна хорошо моделировать реальные электростанции в соотношении 1:3000.

Модель ветряка с пористым диском

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Используя построенную механическую модель, ученые смоделировали 56 различных конфигураций ветряков и сравнили их энергетические эффективности. В основном конфигурации разбивались на три больших класса. В первом классе расстояние между рядами и ветряками в одном ряду поддерживалось постоянным. Во втором классе расстояние между соседними рядами было слегка неравномерным и составляло либо 3,5D, либо 10,5D. В третьем классе неравномерность увеличивалась еще сильнее: расстояние между рядами менялось от 1,5D до 12,5D. Во всех трех случаях ученые размещали ветряки в шахматном «правильном» порядке. Кроме того, для неравномерных схем физики рассматривали еще несколько расстановок с переменным сдвигом между ветряками в соседних рядах.

В результате исследователи обнаружили, что наибольшей эффективностью обладает сильно неравномерная схема с шахматным порядком турбин. Несмотря на то, что в рядах, которые закрывали передние близко расположенные ряды, средняя мощность турбин падала до 10–20 процентов (от мощности одиночной турбины), в остальных рядах она была близка к ста процентам, а иногда даже превышала мощность одиночной турбины. Суммарная мощность фермы при этом достигала 60 процентов. В слабо неравномерной схеме эти эффекты проявлялись более слабо, а в равномерной схеме потери энергии были еще больше, а потому средняя мощность ее турбин не превышала 45 процентов. Это согласуется с соотношениями для настоящих ветряных электростанций, которые теряют почти половину доступной энергии.

Средняя энергия ветряка в ряду в зависимости от номера ряда: случай сильно неравномерной расстановки. Конфигураций расстановок приведена над соответствующими графиками

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Средняя энергия ветряка в ряду в зависимости от номера ряда: случай слабо неравномерной расстановки. Конфигураций расстановок приведена над соответствующими графиками

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Средняя энергия ветряка в ряду в зависимости от номера ряда: случай равномерной расстановки. Конфигураций расстановок приведена над соответствующими графиками

Juliaan Bossuyt et al. / Physical Review Fluids, 2018

Тем не менее, авторы статьи отмечают, что неравномерная схема размещения ветряков имеет свои недостатки. В частности, при некоторых направлениях ветра эффективность фермы сильно падает, и схема с равномерным размещением ветряков становится более выгодной. Поэтому в будущем ученые собираются более детально исследовать взаимодействие потоков воздуха в больших ветряных фермах с тесно расположенными ветряками.

С каждым годом ветряные электростанции производят все больше и больше энергии. Например, в октябре 2017 года компании Statoil и Masdar запустили первую в мире плавучую ветряную электростанцию Hywind, мощность которой составляла около 30 мегаватт, а уже в сентябре 2018 компания Ørsted открыла аналогичную электростанцию мощностью более 650 мегаватт. Этого достаточно, чтобы обеспечить энергией почти 600 тысяч домов. Более того, ветряные электростанции так выгодны, что некоторые компании полностью отказываются от других источников энергии — в частности, в октябре этого года компания ScottishPower продала все свои тепловые электростанции, работающие на угле и газе.

Впрочем, физики стараются повысить эффективность не только ветряных электростанций, но и станций, использующих другие источники энергии. Например, в сентябре этого года китайские физики разработали «линзу» из метаматериала, которая концентрирует энергию океанских волн за счет их интерференции. Построенные прототипы усиливали амплитуду колебаний поверхности воды до трех раз и практически не создавали отраженных волн. В будущем ученые собираются использовать свою разработку, чтобы увеличить эффективность волновых электростанций.

Дмитрий Трунин

Моделирование ветряных турбин | Исследование ветра

Узнайте об инструментах компьютерного моделирования ветряных турбин NREL и программных средствах моделирования.

Ветряные турбины — это уникальные устройства, которые обычно крепятся к земле, но работают в атмосфере, которая подвергает их воздействию различных крутящих моментов и нагрузок в зависимости от погодных условий. условия меняются.

Моделирование такого поведения наземных ветряных турбин достаточно сложно, но проблемы становятся еще более сложными для плавучих морских ветряных турбин, которые могут реагировать на такие условия движения и могут быть подвергнуты волнам волн, которые могут повлиять на их работу.

Исследователи из NREL разработали различные модели компьютерного моделирования и программного обеспечения. инструменты для поддержки ветроэнергетики с современными возможностями проектирования и анализа.

FAST / OpenFAST

FAST — это инструмент автоматизированного проектирования аэроупругих материалов для ветряных турбин с горизонтальной осью. FAST — это основной инструмент автоматизированного проектирования NREL для моделирования связанных динамический отклик ветряных турбин. Это позволяет анализировать ряд ветряных турбин. конфигурации, в том числе:

• Двух- или трехлопастный ротор с горизонтальной осью
• Регулировка шага или стойла
• Ступица жесткая или качающаяся
• Ротор по ветру или по ветру
• Решетчатая или трубчатая башня
• На суше или на море
• Для морских платформ — основания с фиксированным дном или плавучие конструкции.

OpenFAST — это следующее поколение инструмента моделирования всей турбины FAST.

Имитатор для ветряных электростанций

В имитаторе для приложений ветряных электростанций (SOWFA) используется вычислительная гидродинамика. чтобы пользователи могли исследовать производительность ветряных турбин и ветряных электростанций в полный комплекс атмосферных условий и местности.Инструмент позволяет исследователям и проектировщики ветряных электростанций должны исследовать и минимизировать влияние следа турбины на общая производительность завода.

Прочтите информационный бюллетень SOWFA.
Скачать SOWFA.

Проектирование и проектирование интегрированной системы ветроустановок Модель

Модель проектирования и проектирования интегрированной системы ветроустановок (WISDEM ^® ) — это набор моделей для оценки общей стоимости энергии ветряной электростанции.В моделях используются стоимость ветряной турбины и установки, а также расчетное производство энергии, так как а также финансовые модели для оценки стоимости энергии и других систем ветряных электростанций. атрибуты. Модели WISDEM включают:

• Ротор Aero
• Конструкция ротора
• Конструкция гондолы
• Конструкция башни
• Стоимость турбины
• Заводской баланс системных затрат
• Операционные расходы завода
• Завод по производству энергии
• Plant Finance.

Скачать WISDEM.

Модели и инструменты ветроэнергетики

Доступен ряд инструментов, которые обеспечивают моделирование, отображение и оптимизацию приложений ветроэнергетики.

(PDF) Моделирование и моделирование ветряной электростанции мощностью 12 МВт

Достижения в области электротехники и вычислительной техники Том 11, номер 2, 2010 г.

1

Резюме. Установка ветряных турбин в энергетических системах

быстро развивалась благодаря последние 20 лет.В этом документе

представлена ​​полная имитационная модель ветряной турбины

мощностью 6 x 2 МВт с использованием данных ветряной электростанции

, установленной в Дании. Подробно представлена ​​модель ветроэнергетической установки с роторным индукционным генератором

. Выполнен набор из

симуляций, и они показывают, что можно

смоделировать полную ветряную электростанцию ​​от ветра до сети. Инструмент моделирования

также можно использовать для моделирования более крупных ветряных ферм

, подключенных к сети.

Ключевые слова — аэродинамическая система, управление углом наклона лопастей,

ветряная турбина постоянной скорости, индукционные генераторы, ветряная ферма

.

I. ВВЕДЕНИЕ

Стоимость ветровой электроэнергии

снизилась примерно на 90% за последние 20 лет. Сегодня большие новые ветряные фермы

на отличных ветровых площадках вырабатывают электроэнергию по цене

от 0,04 до 0,06 долларов США / кВтч [1, 2]. Таким образом, стоимость электроэнергии от наиболее эффективных ветряных электростанций

находится в диапазоне

, который конкурирует с ценой на электроэнергию от новых традиционных электростанций

.

Установка ветряных турбин в энергосистемах

быстро развивалась в течение последних 20 лет, и

национальные и международные темпы роста и политика

указывают на то, что это развитие будет продолжаться.

Традиционно датские ветряные турбины используют индукционные генераторы

, напрямую подключенные к сети, потому что

индукционных генераторов являются наиболее экономически эффективными и

надежными машинами для преобразования энергии [3-6].

Однако индукционным генераторам требуется реактивная мощность

для намагничивания, особенно во время запуска, что может вызвать падение напряжения, например,

. после сбоя в сети. Чтобы

преодолел такие проблемы со стабильностью, использование силовой электроники

в ветряных электростанциях может быть полезным вариантом. Сегодня,

, многие ветряные турбины используют индивидуальные преобразователи мощности,

, тогда как исследуются центральные решения, такие как STATCOM и HVDC

передачи [8].

В этой статье представлена ​​полная имитационная модель

с использованием данных ветряной электростанции в Дании. Детально представлена ​​также модель

ветряка с индукционными генераторами мощностью 2 / 0,5 МВт.

. Системная модель, предложенная в

в этой статье, разработана в специальных инструментах моделирования энергосистемы

DIgSILENT, которая дает доступ к обширной библиотеке компонентов сети

, но требует реализации соответствующей модели ветряной турбины

.

II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ

Для моделирования ветряной турбины как части распределительной системы

были разработаны модели для каждого элемента

и реализованы в специальном инструменте моделирования энергосистемы

DIgSILENT.

Целью модели является моделирование динамического поведения

и электрических свойств ветряной турбины

, существующей в ветряной электростанции. Моделирование ветряной турбины

должно создать модель как можно более простую с механической точки зрения

, но способную обеспечить хорошее описание электрических характеристик ветровой турбины

.

A. Модель ветряной турбины

Модель ветряной турбины состоит из различных моделей

компонентов: модели ветра, аэродинамической модели, модели передачи

и электрических компонентов, таких как

, таких как индукционный генератор, устройство плавного пуска, конденсаторная батарея и Модель трансформатора

[4, 10-11].

Упрощенная модель ветряной турбины представлена ​​на рис. 1.

Ветряная турбина характеризуется не

размерными кривыми коэффициента мощности Cp как

как функции как отношения скорости конца лопасти, λ, так и лопасти. шаг

угол,

θ

шаг.Передаточное отношение скорости кончика лопастей — это отношение линейной скорости

кончика лопастей к скорости ветра.

B. Модель скорости ветра

Модель скорости ветра описана в [4]. Модель wind

генерирует эквивалентную скорость ветра ueq, которая вместе с углом наклона лопастей

θ

и скоростью

вращения ротора

ω

rot обеспечивают исходные данные для аэродинамической модели.

Ветер, действующий на плоскость ротора ветряной турбины,

очень сложен и включает как детерминированные эффекты

(средний ветер, тень башни), так и стохастические вариации, вызванные

турбулентностью.Детерминированная и стохастическая части складываются вместе, чтобы получить общую эквивалентную скорость ветра

.

В этой статье учтена турбулентность вращающегося ветра

лопаток турбины.

Wind

модель

Угол лопастей

контроль

Аэродинамическая передача

система Генератор

eq

urot

T

gen

ω3000

лезвие

θ

hss

T

изм

P

ref

P

Трансформатор

0.96/10 кВ

Рис. 1. Блок-схема упрощенной модели ВЭУ

с постоянной частотой вращения и индукционным генератором.

МОДЕЛИРОВАНИЕ и МОДЕЛИРОВАНИЕ

ветровой фермы мощностью 12 МВт

Lucian MIHET-POPA1 и Voicu Groza2

«POLITEHNICA» Университет Тимишоара1, Университет Оттова2

B-dul V. Parvan-dul V.

[email protected]

Специальный выпуск: Моделирование ветряных турбин и ветряных электростанций

Уважаемые коллеги,

В настоящее время моделирование ветряных электростанций (ВЭС) и ветряных турбин (ВТ) приобретает ключевое значение из-за значительного воздействия ветровой генерации на энергосистемы.Следовательно, интеграция ветра в энергетические системы должна быть тщательно проанализирована, чтобы спрогнозировать влияние на стабильность и надежность сети. Различные агенты, такие как операторы системы передачи (TSO) и операторы системы распределения (DSO), сосредоточены на анализе переходных процессов с целью решения этой проблемы. Также участвуют производители ветряных турбин, разработчики программного обеспечения для энергосистем и технические консультанты.

WPP и WT часто делятся на два типа: подробные и упрощенные.Подробные модели используются для моделирования электромагнитных переходных процессов (EMT), обеспечивая как электрические, так и механические характеристики с высокой точностью в течение коротких интервалов времени. Упрощенные модели, также известные как стандартные или общие модели, предназначены для получения надежных ответов, избегая высоких вычислительных ресурсов. Упрощенные модели обычно используются TSO и DSO для проведения различных исследований стабильности переходных процессов, включая потерю генерации, переключение линий электропередач или уравновешенные неисправности и т. Д. Оценка и проверка таких динамических моделей также является серьезной проблемой из-за важности и сложность сбора реальных данных.

В этом специальном выпуске представлены решения, стоящие перед всеми этими проблемами, включая разработку, валидацию и применение моделей WT и WPP. Темы, представляющие интерес, включают, но не ограничиваются:

• Детализированные модели WT и WPP
• Упрощенные модели WT и WPP
• Проверка модели
• Исследования устойчивости при переходных процессах
• Исследования интеграции ветра
• Новые стратегии управления
• Вспомогательные услуги
• Модели WT и WPP в реальном времени
• IEC 61400-27 и оценка модели WECC
• Требования сетевого кода

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть отправлены онлайн по адресу www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до установленного срока. Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска.Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции). Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Energies — это международный рецензируемый журнал с открытым доступом, выходящий раз в полмесяца, издающийся MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 2000 швейцарских франков. Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время редактирования автора.

Простая модель ветра для моделирования ветряных электростанций на базе JSTOR

ABSTRACT В этой статье представлена ​​модель ветра, которая позволяет моделировать реалистичные скорости ветра над территорией ветряной электростанции.Основное предназначение этой модели — моделирование энергосистемы, где высокая скорость моделирования имеет решающее значение и где нежелательно использовать различные инструменты для запуска моделирования. Предлагаемая модель ветра объединяет слишком простые модели ветра, обычно используемые при моделировании ветряных турбин в энергосистеме, и сложную модель ветра, которая представляет различные скорости ветра, возникающие в роторе ветряной турбины. Результатом является ветровая модель фермы для моделирования поведения энергосистемы ветряной электростанции.

Постоянно публикуемый с 1977 года, Wind Engineering является старейшим и наиболее авторитетным рецензируемым англоязычным журналом, полностью посвященным ветроэнергетике.Под руководством выдающегося редактора и редакционной коллегии Wind Engineering выходит раз в два месяца с полностью рецензируемыми вкладами активных деятелей в этой области, книжными заметками и резюме наиболее интересных статей из других источников. В Wind Engineering публикуются статьи по аэродинамике роторов и лопастей; подсистемы и узлы машин; дизайн; тестовые программы; производство и передача электроэнергии; методы измерения и регистрации; установки и приложения; а также экономические, экологические и правовые аспекты.Ветроэнергетика представляет огромную ценность для всех, кто связан с ветром как источником энергии

Сара Миллер МакКьюн основала SAGE Publishing в 1965 году для поддержки распространения полезных знаний и просвещения мирового сообщества. SAGE — ведущий международный поставщик инновационного высококачественного контента, ежегодно публикующий более 900 журналов и более 800 новых книг по широкому кругу предметных областей. Растущий выбор библиотечных продуктов включает архивы, данные, тематические исследования и видео.Контрольный пакет акций SAGE по-прежнему принадлежит нашему основателю, и после ее жизни она перейдет в собственность благотворительного фонда, который обеспечит дальнейшую независимость компании. Основные офисы расположены в Лос-Анджелесе, Лондоне, Нью-Дели, Сингапуре, Вашингтоне и Мельбурне. www.sagepublishing.com

Оптимизация мощности ветровой электростанции за счет управления следом

Значение

Эффект следа в ветряных электростанциях может значительно снизить выработку электроэнергии и повысить ее стоимость.Здесь мы разработали схему управления следом для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями. Метод управления в спутном следе был протестирован на группе из шести турбин коммунального масштаба, где он увеличил выработку энергии для скоростей ветра около средней годовой скорости на участке от 7% до 13% и уменьшил изменчивость до 72% для выбранных направлений ветра в ночное время . Эти улучшения могут способствовать повышению способности ветряных электростанций обеспечивать надежную, недорогую и эффективную базовую энергетическую нагрузку.

Реферат

Мировое производство электроэнергии все больше полагается на ветряные электростанции для производства низкоуглеродной энергии.В недавнем специальном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) прогнозировалось, что производство возобновляемой энергии должно вырасти с 20% мирового энергобаланса в 2018 году до 67% к 2050 году, чтобы глобальные температуры не повысились на 1,5 ° C по сравнению с доиндустриальными уровнями. Это увеличение требует надежного и недорогого производства энергии. Однако ветряные турбины часто размещаются в непосредственной близости от ветряных электростанций из-за ограничений по земле и линиям электропередачи, что приводит к снижению эффективности ветряной электростанции до 40% для направлений ветра, совпадающих с колоннами турбин.Чтобы увеличить выработку энергии ветряной электростанцией, мы разработали схему управления следом. Такой подход максимизирует мощность ветряной электростанции за счет смещения по рысканью, которое отклоняет следы от расположенных ниже по потоку турбин. Оптимизация была выполнена с помощью аналитического градиентного подъема для конкретного участка на основе исторических операционных данных. Протокол был протестирован на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада, что привело к статистически значимому (P <0,05) увеличению мощности на 7–13% для скорости ветра вблизи средней площадки и направлений ветра, которые происходят в течение менее 10% ночной работы. и 28–47% для малых скоростей ветра при тех же направлениях ветра.Управление в спутном следе также снизило изменчивость выработки энергии ветряной электростанцией на 72%. Хотя результирующий прирост годовой выработки энергии на этой ферме был незначительным, эти статистически значимые результаты контроля за следом демонстрируют потенциал повышения эффективности и предсказуемости производства энергии за счет снижения потерь за счет следа.

Специальный доклад 15 Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) о глобальном потеплении (1) обнаружил, что нынешние темпы выбросов приведут к повышению температуры с доиндустриального уровня, равного 1.5 ° C к 2040 году. Между тем недавние исследования предсказали, что Парижское климатическое соглашение (2) не сможет удержать потепление ниже заявленной цели 2 ° C (3, 4). В Специальном отчете 15 установлено, что производство электроэнергии на основе угля должно снизиться с нынешних 40% мирового производства энергии до 1–7%. В результате возобновляемые источники энергии должны компенсировать этот переход, увеличившись с 20% выработки энергии в 2018 году до 67% к 2050 году (1). Ветровая и солнечная энергия, вероятно, составят основную часть этих добавленных мощностей из-за снижения стоимости электроэнергии (5).Хотя недавние исследования (5) показали, что береговая ветровая энергия является экономически выгодной по сравнению с углем и природным газом комбинированного цикла, такие оценки относятся к объектам с надежными и надежными ветровыми ресурсами. Чтобы достичь целей Парижского климатического соглашения, ветряные фермы должны значительно увеличиться в количестве и плотности, а также распространиться на участки с менее определенным ветровым ресурсом (6). В результате методы повышения эффективности ветряных электростанций по-прежнему имеют первостепенное значение для сокращения выбросов углерода.

Хотя основной причиной снижения эффективности ветряных электростанций является изменчивость скорости ветра, аэродинамические потери в больших массивах турбин также являются ключевой проблемой при эксплуатации ветряных электростанций (7).Из-за процесса извлечения энергии из пограничного слоя атмосферы ветровые турбины обязательно создают область следа с уменьшенным импульсом непосредственно ниже по потоку (8). Этот след снизит выработку энергии турбинами, расположенными ниже по потоку в группе. Потери мощности в следе в ветряной электростанции зависят от скорости и направления падающего ветра.

Потери в следе возникают, когда скорость ветра ниже номинального значения (9) и турбины, по крайней мере, частично выровнены по углу набегающего ветра.Средняя скорость ветра на большинстве ветропарков значительно ниже расчетного значения (10). Направления ветра в турбулентном пограничном слое атмосферы по своей природе изменчивы и будут меняться в зависимости от времени суток, сезона и других геофизических параметров (11). Компоновки ветряных электростанций предназначены для извлечения максимальной прибыли с учетом исторически наблюдаемых распределений направления и скорости ветра, что обычно приводит к увеличению продольного расстояния между турбинами в наиболее распространенных направлениях ветра. Однако для других направлений ветра ветровые турбины расположены ближе друг к другу (12).В наихудших сценариях размещения ветряных турбин и направлений притока в современных ветряных электростанциях происходит потеря более 40% эффективности, когда ветер смещается в направлении, совмещенном с колоннами турбин (13).

Чтобы свести к минимуму аэродинамические потери между турбинами в условиях преобладающего ветра, было найдено оптимальное продольное расстояние 10–15D, где D — диаметр турбины (14⇓ – 16). Современные турбины увеличиваются в размерах, при этом морские турбины теперь имеют диаметр ротора более 200 м (17).Соответствующее расстояние между турбинами в несколько километров значительно увеличивает стоимость линий электропередачи и землепользования (18). В результате проектировщики ветряных электростанций сталкиваются со сложной многокритериальной задачей оптимизации, которая обычно приводит к рабочему расстоянию между турбинами 6-10D (18). На этом расстоянии в современных ветряных электростанциях сохраняются значительные аэродинамические потери в следе, когда поток направлен вдоль колонн турбин, а скорость ветра ниже номинального значения (13).

В то время как влияние потерь в спутной струе на эффективность ветровой электростанции может быть большим для некоторых направлений притока, совокупное влияние на годовое производство энергии меньшими ветряными электростанциями обычно ниже, поскольку турбины расположены на большом расстоянии в направлениях с высокой скоростью ветра.Тем не менее, влияние потерь в следе может быть значительным, как, например, в морской ветряной электростанции Хорнс Рев, где было обнаружено, что они снижают годовую выработку энергии примерно на 20% (13, 19). С увеличением размера и количества ветряных электростанций (20) потери в следе становятся все более важным фактором эффективности ветряных электростанций (21). В то время как масштабы снижения эффективности, вызванного следом, будут зависеть от конкретной площадки ветряной электростанции, методы, которые могут снизить потери в следе, после разработки, вероятно, будут широко применимы к глобальному парку ветроэнергетики.Таким образом, потенциальные методы смягчения последствий следа были в центре внимания многолетних исследовательских инициатив, проводимых Министерством энергетики США, таких как кампания от атмосферы к электронам (A2e) и объект Scaled Wind Farm Technology (SWiFT) (22). Учитывая широкое потенциальное влияние метода уменьшения потерь в следе, мы разработали схему управления и протестировали ее на шести турбинах коммунального масштаба на ветряной электростанции в Альберте, Канада, для скоростей ветра и направлений, где потери в следе наблюдались исторически.Наш метод увеличил выработку электроэнергии для этих направлений ветра от 7% до 13% для умеренных скоростей ветра около площадки и до 47% для низких скоростей ветра, что представляет собой статистически значимую демонстрацию оптимизации мощности рулевого управления в спутной струе для ветряной электростанции с несколькими турбинами. .

Помимо средней выработки электроэнергии, следы от ветряных турбин способствуют прерывистой работе. Прерывистое производство электроэнергии вызывается как ветровыми колебаниями в турбулентном пограничном слое атмосферы, так и внутренней нелинейностью выработки энергии ветровыми турбинами в зависимости от скорости ветра (23).Кроме того, следы турбин вносят свой вклад в отсутствие точного управления производством энергии ветряной электростанцией. Прерывистые возобновляемые источники энергии увеличивают потребность в дорогостоящих системах резервирования энергии, чтобы гарантировать надежность сетевых услуг (24). При низкой скорости ветра ветряные турбины могут колебаться примерно со скоростью включения в результате порывов ветра и динамического меандрирования следа (25). Методы управления, которые уменьшают изменчивость производства электроэнергии ветряными электростанциями, измеряемую здесь как SD временной записи выработки электроэнергии, могут снизить потребность в дополнительных услугах для энергосистемы (26).Наш метод, примененный на ветряной электростанции в Альберте, Канада, снизил SD производства энергии ветряной электростанцией до 72% для рассматриваемых ветровых условий.

Управление рулевым управлением по следу

В последнее время внимание было сосредоточено на уменьшении потерь в следе за счет использования протоколов управления турбиной и оптимизации систем, которые приносят в жертву индивидуальные характеристики турбины для улучшения производительности коллективной ветровой электростанции. В нескольких исследованиях была предпринята попытка оптимизировать выработку электроэнергии ветряной электростанцией за счет работы турбины, расположенной выше по потоку, в неоптимальном состоянии для повышения эффективности турбины ниже по потоку (27, 28), но результаты еще не привели к окончательному решению, которое может можно экстраполировать на произвольные конфигурации ветряных электростанций (29).

Современная работа турбины сводит к минимуму угол несоосности рыскания, который представляет собой угол между осью гондолы турбины и направлением набегающего ветра. В то время как ветряные турбины обычно демонстрируют небольшое отклонение по рысканью из-за ошибок управления, шума и неопределенности датчиков (30), цель промышленных алгоритмов управления состоит в том, чтобы минимизировать это рыскание. Когда ветровые турбины смещены относительно набегающего ветра, они создают боковое усилие, которое отклоняет область следа (31), как показано на рис.1 А . Несмотря на то, что смещенная турбина вырабатывает неоптимальную мощность, след больше не может напрямую попадать на турбину, расположенную ниже по потоку, в результате рулевого управления в следе. Применение управления в спутной струе для ветряной электростанции с шестью турбинами показано на рис. 1 B и C . Такая стратегия управления оказалась полезной для турбин с подветренной стороны в ряде экспериментов в аэродинамической трубе (32, 33) и вычислительных исследованиях (34–37). Управление по спутной струе также использовалось в полевом эксперименте с двумя турбинами, который продемонстрировал увеличение выработки энергии турбиной по ветру в зависимости от стабильности атмосферы (38).Влияние рулевого управления в спутном следе на сумму выработки энергии турбинами по ветру и по ветру было безрезультатным в отдельном полевом эксперименте с двумя турбинами (39). Здесь мы демонстрируем статистически значимый эффект следящего управления в полевых исследованиях с шестью турбинным агрегатом.

( A ) Ветряная турбина диаметром D наклонена под углом γ относительно набегающего ветра и вид сверху. Набегающий ветер со скоростью u∞ падает слева. Центральная линия стандартного рабочего следа без отклонения от курса будет следовать по пунктирной синей линии.Центральная линия следа по рысканию следует за сплошной красной линией. ( B и C ) Поле продольной скорости модели следа для управления отслеживанием базовой точки максимальной мощности ( B ) и оптимального управления рысканием ( C ). Скорость набегающего ветра на самой верхней турбине составляет u∞ = 7,5 м⋅с-1, и моделируются шесть турбин. След за шестой турбиной не показан, поскольку модель следа автоматически игнорирует калибровку параметров шестой турбины для повышения эффективности вычислений.

Из-за сложности экспериментов и вычислительных затрат параметрические исследования и оптимизация мощности ветряных электростанций в реальном времени ограничены предыдущими подходами (29). Таким образом, для облегчения управления с обратной связью в реальном времени требуется разработка точной и эффективной с вычислительной точки зрения модели выработки электроэнергии ветряной электростанцией в зависимости от срабатывания рулевого управления в спутном следе (40).

Оптимизация мощности для конкретного объекта

Мощность ветровой турбины, P, зависит от компоновки ветряной электростанции и условий притока.Кроме того, выработка энергии ветряной турбиной является функцией угла смещения по рысканью, а также смещения по рысканью турбин, расположенных выше по потоку, что проявляется в виде отклонений в следе. Мы разработали аналитическую формулировку для прогнозирования выработки энергии ветровыми турбинами в зависимости от атмосферных условий и решений по отклонению от курса турбин против ветра. Управление в спутной струе фиксируется с помощью недавно разработанной модели подъемной линии (41). Хотя величина поворота в спутном следе (42), а также скорость и направление ветра (43) являются функциями вертикального размера, измерения, доступные на месте в настоящем исследовании, были ограничены точечными датчиками на высоте ступицы.В то время как включение трехмерности изогнутого следа (42) может улучшить точность модели в определенных атмосферных условиях, 2D-модели достаточно, чтобы уловить основные физические аспекты нынешнего эксперимента ветряной электростанции. Подробная информация об аналитической модели прогнозируемого следа приведена в Приложении SI . Максимизация выработки энергии ветряной электростанцией за счет использования следящего управления позиционируется как оптимизация, максимизация γ → ∑i = 1NtPis при условии γi∈ [γmin, γmax], [1] где γi — угол рыскания для турбины i, Nt — количество турбин, а γmin и γmax являются границами несоосности рыскания для каждой турбины.Уравнение 1 не является выпуклым, но может быть оптимизирован с помощью ряда алгоритмов. Подобные исследования ранее использовали генетические алгоритмы (44) или дискретные градиенты (35). Поскольку мы разработали аналитическую функцию для прогнозирования производства энергии ветряной электростанцией, уравнение. 1 можно эффективно оптимизировать, используя аналитические градиенты в сочетании с общей стратегией подъема градиента, называемой оптимизацией Адама (45).

Калибровка модели следа для конкретного участка

Модель ( SI, приложение ) откалибрована с использованием исторических полевых данных в масштабе коммунального предприятия из пяти 1.Ветряные турбины Vestas V80 мощностью 8 МВт и одна турбина Vestas V80 мощностью 2,0 МВт на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада. Шесть турбин в ветряной электростанции выровнены под углом ∼335 °, где север равен 0 °, а угол продолжается по часовой стрелке до 360 ° на севере. При ветре от 335 ° турбины разнесены на ∼3,5D в преобладающем направлении ветра. Условия ветрового притока задаются установленными на гондоле системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), измеряющей скорость ветра и направление гондолы.В настоящем исследовании интенсивность турбулентности не измерялась из-за ограничений оборудования ветряной турбины. Подробности измерений ветровой обстановки обсуждаются в Приложении SI . Пять лет усредненных за 1 минуту эксплуатационных данных SCADA, включая мощность, направление гондолы и скорость ветра, были использованы для калибровки константы пропорциональности предполагаемого гауссова следа и коэффициента распространения следа. Последний параметр определяет диаметр следа, который является функцией продольного расстояния после ветряной турбины.Эта модель позволяет каждой турбине иметь независимые значения для двух параметров модели, так как эти параметры, как известно, являются функцией условий атмосферного пограничного слоя (46), а также количества турбин против ветра (47). Параметры модели были определены с помощью аналитического градиентного спуска ( SI Приложение ). Результирующая откалиброванная модель с использованием ночных исторических фоновых данных показана на рис. 2 для притока 330 ° ± 5 ° при u∞ = 5-6 м⋅с-1 и u∞ = 7-8 м⋅с-1. Выработка электроэнергии нормирована на мощность самой наветренной турбины.Вторая турбина в среднем вырабатывает около 30% и 40% мощности предшествующей турбины при низкой и умеренной скорости ветра соответственно. Потери в следе больше при более низких скоростях ветра из-за более высокой относительной тяги, которую турбина передает полю скоростей при низких скоростях ветра.

( A и B ) Калибровка модели следа с использованием 5-летних исторических данных о мощности турбины SCADA для притока от 330 ° ± 5 ° для ( A ) u∞ = 5-6 м⋅с −1 и ( B ) u∞ = 7−8 м⋅с − 1.Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение в данных. Турбина 4 — это Vestas V80 мощностью 2,0 МВт, а остальные — Vestas V80 мощностью 1,8 МВт. Выработки турбинной мощности нормируются самой противоточной турбиной Р1.

Модель, подходящая для умеренной скорости ветра, имеет среднюю абсолютную ошибку 0,02, в то время как модель для низкой скорости ветра имеет среднюю абсолютную ошибку 0,09 (выраженную как отношение, нормированное на мощность первой турбины). Менее точная подгонка в интервале низкой скорости ветра ожидается из-за присущей ему нелинейности при эффективной скорости включения 5 м⋅с-1 для турбин Vestas V80 на интересующем участке.В частности, выше точки включения турбина вырабатывает мощность и оказывает сопротивление жидкости, создавая зону следа. Ниже точки включения вырабатывается нулевая мощность и нет значимой области следа. Из-за динамического меандрирования следа турбины, расположенные ниже по потоку, будут колебаться между включением и отключением при очень низких скоростях ветра, а статические модели, которые учитывают только усредненное по времени поведение, также не могут уловить эту динамику (48). Это проиллюстрировано на рис. 2 A , где производство нулевой мощности происходит в пределах 1 стандартного отклонения от среднего.Поскольку контроллер рыскания на турбинах Vestas V80 не позволял выполнять динамические маневры рыскания, такие динамические расширения не применялись в рамках моделирования. Калибровки модели спутного следа для других направлений и скоростей притока северо-западного ветра для краткости не показаны.

План полевого эксперимента

В то время как ветряная электростанция в Альберте была спроектирована для высокоскоростного потока с юго-запада, ночные ветра с низкой или умеренной скоростью ветра с северо-запада происходят летом и осенью. Настоящий эксперимент направлен на оптимизацию углов отклонения от курса для этих скоростей ветра с северо-запада, для которых существуют значительные эффекты следа.

Оптимизация несоосности рыскания была проведена с откалиброванной моделью для притока от 315 ° до 355 °, для которого наблюдаются потери в следе. Эти углы составляют ~ 8% от ночной работы ветряной электростанции, при этом почти все пробы приходятся на летний и осенний сезоны. Роза ветров с историческими данными представлена ​​в приложении SI , рис. S1 A . Оптимизация угла рыскания привела к смещению рыскания по часовой стрелке на ~ 20 ° по отношению к набегающему ветру для каждой из первых пяти турбин в колонне и нулевому смещению для турбины, которая находилась дальше всего по ветру.Из-за аппаратных ограничений систем управления рысканием ветряных турбин, только один набор углов отклонения от рыскания мог быть выбран для диапазона северо-западного притока. Следовательно, смещенные турбины постоянно смещались на 20 ° для всех северо-западных направлений притока, от 315 ° до 355 °. Хотя измерения интенсивности турбулентности не были доступны на участке ветряной электростанции, ночная работа обычно приводит к довольно низкой интенсивности турбулентности и, следовательно, к большим потерям в следе из-за подавленного перемешивания в следах (11).Подробные сведения об оптимизации несоосности по рысканью приведены в приложении SI . Другие углы смещения по рысканью не тестировались из-за экспериментальных ограничений реализации и увеличения количества уникальных дней экспериментов с одним набором смещений. Более длительная продолжительность эксперимента была необходима для достижения статистической достоверности.

Настоящая стратегия оптимизации, основанная на управлении, была протестирована в полномасштабном полевом эксперименте на шести промышленных турбинах с 15 по 25 октября 2018 года.Фотография смещенных по рысканию турбин представлена ​​на рис. 3 A . Эскиз вида сверху оптимальных углов рыскания для эталонного притока с северо-запада можно увидеть на рис. 3 B .

( A ) Фотография шести турбин Vestas V80 на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада. ( B ) Вид сверху оптимизированной несоосности шести турбин по рысканью. Поток возникает с северо-запада, что представляет интерес для данного эксперимента по оптимизации.Турбины с первой по пятую смещены на 20 ° по часовой стрелке относительно набегающего ветра. Турбина шестерка не смещена. Координаты в метрах. ( C и D ) Мощность как функция количества турбины сравнивается для базовой работы с историческими данными SCADA за 5 лет (синие кружки), экспериментальной кампанией по рысканию (зеленые треугольники) и прогнозами модели (красные ромбы) ) на основе калибровок, приведенных на рис. 2. Условия притока показаны для 330 ° ± 5 ° при ( C ) u∞ = 5-6 м⋅с-1 и ( D ) u∞ = 7− 8 м⋅с − 1.Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение в данных.

Результаты полевых экспериментов

Значительное увеличение мощности по сравнению с базовой линией наблюдалось при низкой и умеренной скорости ветра с северо-запада. Влияние наведения в следе на среднее и стандартное отклонение выработки электроэнергии для условий северо-западного притока показано в таблице 1. Показаны направления и скорости ветра с более чем 15 усредненными за 1 мин выборками данных.

Шесть эффектов управления следом от ветряных турбин в масштабе коммунальных предприятий на среднее (Δm), стандартное отклонение (Δs) и скорость отклонения выработки электроэнергии по сравнению с базовой работой

Для низких скоростей ветра u∞ = 5-6 м⋅с − 1 и приток 325 ° ± 5 °, общая мощность шести турбин увеличилась со среднего временного значения 390 кВт до 570 кВт, что на 47% больше.Между тем, для притока 330 ° ± 5 ° при u∞ = 5-6 м⋅с-1 увеличение мощности составило 28% (рис. 3 C ). Большое процентное увеличение в этих случаях происходит из-за низкой выработки энергии при низких скоростях ветра и близости скоростей ветра к скорости включения 5 м⋅с-1. Значительное улучшение в этих двух случаях можно объяснить отклонением восходящего следа. Частичное перекрытие в следе происходит, когда часть области ротора ветряной турбины находится в следе за встречной турбиной, в то время как другая часть находится в невозмущенном набегающем потоке.Такой случай имеет место для шести турбин с потоком от 325 ° до 330 °. Во время сценария частичного следа небольшое отклонение от курса для турбины против ветра может привести к тому, что турбина, расположенная ниже по потоку, будет работать исключительно в условиях набегающего потока. Уменьшение частичного пробуждения полезно для выработки электроэнергии и значительно снижает усталость и отказы турбины (49). Модель учитывает влияние несоосности рыскания в сценарии частичного следа, как показано на рис. 1 B и C , где следы турбин, расположенных выше по потоку, отклоняются от турбин ниже по потоку.Следы воздействуют на турбины, расположенные ниже по потоку, более непосредственно при 330 °, чем при 325 °. В результате для отклонения следа от турбин, расположенных ниже по потоку, требуются большие отклонения следа при 330 °, чем при 325 °. Следовательно, ожидаемое увеличение мощности выше для 325 °, где сценарий частичного следа наиболее заметен.

Для более высокой скорости ветра u∞ = 7-8 м⋅с-1 с ​​330 ° ± 5 ° общая мощность увеличилась с 1,86 МВт до 2,11 МВт, то есть на 13% (рис. 3 D ). Процентное увеличение меньше в случаях с более высокой скоростью ветра в результате уменьшения эффекта следа на этих скоростях.

Поток, непосредственно падающий вдоль трассы колонны ветряной электростанции под углом 335 ° ± 5 °, имел место в значительной степени только при скорости ветра между u∞ = 7-8 м⋅с-1. В этих условиях выработка электроэнергии шести турбин увеличилась на 7%. Ветряные электростанции обычно располагаются в местах со средней скоростью ветра около 8 м⋅с-1 (10). Таким образом, для ветряных электростанций с аналогичным шагом в продольном направлении и прямым выравниванием в среднем ожидается увеличение мощности на 7%, наблюдаемое в этих ветровых условиях.

Рулевое управление по кильватерному следу также значительно уменьшило изменчивость суммы выработки энергии шестью турбинами, измеренной здесь как стандартное отклонение во временном ряду данных, усредненных за 1 минуту (таблица 1).Уменьшение SD суммы мощности связано с уменьшением эффекта следа между турбинами. Это проявляется в заметном уменьшении процента времени, в течение которого турбины не производят мощность (сбой) при всех ветровых условиях. Стоит отметить, что все рассматриваемые здесь ветровые условия превышают скорость включения турбин Vestas V80 и, следовательно, без эффектов следа скорость отключения будет 0% для всех случаев ветровых условий. Высокие коэффициенты отключения в случае базового управления являются результатом падения скорости столкновения с данной турбиной ниже скорости включения.В результате рулевого управления в следе процент времени, в течение которого скорость снижается ниже значения включения для турбин по ветру, заметно снизился.

Модель низкого порядка может прогнозировать влияние рыскания на тенденции выработки энергии в полевом эксперименте на основе калибровки с использованием только исторических данных (рис. 3 C и D ). Как и ожидалось, выработка мощности турбинной (т. Е. Самой противоточной турбины) была снижена из-за работы с несоосностью рысканья.Однако выработка энергии турбинами со второй по пятую, и особенно шестой турбиной, находящейся дальше всего по ветру, значительно увеличилась. Имеются расхождения в случае низкой скорости ветра, показанном на рис. 3 C , в результате нелинейности скорости включения и динамического меандрирования следа, не зафиксированных в модели. Тем не менее, качественное согласие с тенденциями прогнозирования модели способствует использованию данной модели для управления в реальном времени произвольными ветряными электростанциями в масштабе коммунальных предприятий.

Самым большим источником ошибок в существующей структуре моделирования является функциональная зависимость мощности от угла несоосности рысканья.В настоящем подходе предполагалось, что производство мощности как функция рыскания соответствует экспериментальному результату в аэродинамической трубе cos2 (γ) (50). Хотя эта модель довольно хорошо работает в случае низкой скорости ветра, показанном на рис. 3 C , она неточна для случая более высокой скорости ветра, показанного на рис. 3 D . В результате, вероятно, существует функциональная зависимость показателя косинуса от скорости набегающего ветра, а также ранее сообщавшаяся зависимость от типа турбины (44) и сдвига и поворота в пограничном слое атмосферы.

Результаты увеличения мощности статистически значимы (P <0,05) по двухвыборочному критерию Колмогорова – Смирнова. Подробности статистических экспериментов приведены в документе Materials and Methods . Однако статистический тест не исследует доминирующие причины неопределенности, которыми являются условия притока атмосферного пограничного слоя, включая скорость и направление ветра, а также ограниченное количество уникальных дней экспериментальной кампании по рысканью. Полный набор данных доступен по адресу https: // purl.stanford.edu/rn821pp7681.

Обсуждение

Мы демонстрируем статистически значимый полевой эксперимент по управлению в спутном следе, увеличивающий выработку энергии многотурбинной ветровой электростанцией для ветровых условий, которые демонстрируют потери в спутном следе. В то время как влияние наведения в спутной струе на годовое производство энергии зависит от конкретной площадки (например, ниже 0,3% на этой ветряной электростанции), этот эксперимент служит доказательством концепции потенциала управления в спутной струе для значительного снижения потерь в спутной струе, что снижает годовое производство энергии. ветропарков (13).Управление рулевым управлением в спутной струе также уменьшило прерывистость выработки мощности. Поскольку вспомогательные услуги по регулированию частоты требуются в масштабе времени в минутах (26), SD в отношении временных рядов производства электроэнергии, усредненных за 1 минуту, имеют отношение к планированию энергосистемы. Это демонстрирует, что управление в спутном следе может снизить непостоянство ветровой энергии и, таким образом, повысить надежность этого компонента энергосистемы. Прогресс в нашем понимании физики ветряных электростанций в сочетании с улучшениями в моделировании, проектировании и оптимизации управления еще больше повысит ценность этой технологии возобновляемых источников энергии и ее способность обеспечивать недорогую и надежную энергию для устойчивой сети.

Для достижения такого потенциального увеличения мощности глобального парка ветряных электростанций требуется эффективная вычислительная модель. Данная формулировка аналитической модели была выбрана из-за ее вычислительной эффективности, которая облегчает ее использование для управления ветряными электростанциями в масштабе коммунальных предприятий в реальном времени. Вычислительная стоимость предыдущих методов масштабируется как O (NxNy), где Nx и Ny — количество точек сетки, используемых в расчетной области, тогда как стоимость настоящего метода масштабируется как O (Nt), где Nt — количество турбин. .Обычно для каждой турбины ветряной электростанции (34) используется O (10) точек сетки, что приводит к приблизительному масштабированию O (100Nt2). Следовательно, настоящий метод имеет вычислительное сокращение, по крайней мере, на два порядка. Это масштабирование обеспечивает калибровку модели в реальном времени и управление ветровой фермой с использованием только стандартного персонального компьютера. Учитывая, что все ветряные турбины коммунального масштаба сконструированы с контроллерами рыскания, настоящая схема управления может быть напрямую внедрена в любую действующую ветряную электростанцию, таким образом, немедленно увеличивая выработку энергии с этих площадок без дополнительных затрат.

Недавнее моделирование отметило потенциальное влияние направления несоосности рыскания на выработку энергии в упрощенном, выровненном сценарии управления в следе с двумя ветряными турбинами (51, 52). Это наблюдение не было подтверждено во всех других исследованиях управления движением в спутном следе и, вероятно, во многом зависит от компоновки турбины (53). Потенциальная асимметрия выработки мощности в зависимости от направления несоосности рыскания, вероятно, вызвана изогнутым трехмерным следом (42), а также изменением и сдвигом скорости ветра.Недавняя работа предполагает, что эта асимметрия связана с эффектом Кориолиса (37). Эти эффекты являются предметом продолжающейся работы по моделированию (36, 43, 54, 55) и поэтому не были включены в настоящую схему.

Помимо наблюдаемого здесь эффекта перекоса по рысканью на выработку мощности, управление в спутном следе также влияет на неустойчивую нагрузку ветряной турбины и, следовательно, на механическую усталость. Теоретические и численные исследования предсказывают, что смещение по рысканью может уменьшить или увеличить механическую усталостную нагрузку на лопасти ветряной турбины в зависимости от направления смещения по рысканью (56).Однако влияние перекоса по рысканью на усталостную нагрузку является функцией конкретной ветряной турбины и системы управления, поскольку недавние исследования показали разные результаты в зависимости от интересующей ветряной турбины (49, 57). Кроме того, смещение по рысканью может уменьшить частичное перекрытие спутного следа, которое, как известно, значительно увеличивает усталостную нагрузку (58). В описанном здесь эксперименте на ветряной электростанции в Альберте частичное перекрытие следа значительно уменьшилось. Хотя усталостная нагрузка ветряной турбины не измерялась в текущем полевом эксперименте, она является предметом будущих работ и контрольно-измерительных приборов на этом полевом участке.В более общем плане, точные прогнозы влияния перекоса по рысканью на усталостную нагрузку всех ветряных турбин в ветряной электростанции, вероятно, потребуются до широкого внедрения управления в спутном следе в качестве оптимальной схемы управления для ветряных электростанций промышленного масштаба. Это предмет текущей работы в рамках программы A2e Министерства энергетики с использованием инструмента моделирования FAST Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (59).

Материалы и методы

Статистические тесты.

Статистическая значимость результатов экспериментальной оптимизации мощности рыскания проверялась с помощью двухвыборочного теста Колмогорова – Смирнова. Был выбран критерий Колмогорова – Смирнова, поскольку наборы данных являются ненормальными распределениями. Нулевая гипотеза состоит в том, что сумма выработки электроэнергии шестью турбинами из исходных исторических данных и экспериментальных измерений рыскания является одним и тем же распределением. Статистический тест проводится для конкретных условий притока, показанных в Таблице 1. Существует более чем на порядок больше выборок из набора исторических базовых данных, чем для кампании рыскания из-за ограниченной продолжительности полевого эксперимента.Таким образом, значения P вычисляются с использованием случайной выборки из полного распределения, так что базовый набор данных имеет такое же количество точек данных, что и данные эксперимента по несовпадению рыскания. Значения P затем усредняются вместе как метод Монте-Карло. Полученные значения P показаны в таблице 2. Все результаты статистически значимы (P <0,05), за исключением притока под углом 320 ° ± 5 ° со скоростью 5–6 м⋅с − 1. Образцы во время экспериментальной кампании по смещению по рысканью не являются строго независимыми, поскольку они могут возникать в аналогичных условиях атмосферного пограничного слоя.Результаты будут аналогичными, если для вычисления условных средних используются меньшие интервалы скорости или направления ветра. Полный набор данных можно получить по адресу https://purl.stanford.edu/rn821pp7681.

Двухвыборочный статистический тест Колмогорова – Смирнова для нулевой гипотезы о том, что базовые исторические данные о мощности SCADA и экспериментальные данные о мощности отклонения от курса являются образцами одного и того же распределения. любезно предоставив исторические эксплуатационные данные ветряной электростанции и для проведения экспериментальной кампании по смещению рыскания на действующих турбинах.М.Ф.Х. финансируется через стипендию для аспирантов Национального научного фонда в рамках гранта DGE-1656518 и стипендию для аспирантов Стэнфордского университета.

Сноски

• Автор: M.F.H. и J.O.D. спланированное исследование; М.Ф.Х. проведенное исследование; M.F.H., S.K.L. и J.O.D. предоставил новые аналитические инструменты; M.F.H., S.K.L. и J.O.D. проанализированные данные; и M.F.H., S.K.L. и J.O.D. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Размещение данных: данные из этой статьи были депонированы в Стэнфордском цифровом репозитории, https://purl.stanford.edu/rn821pp7681.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1

  0116/-/DCSupplemental.

• Copyright © 2019 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Стэнфордские исследователи моделируют взаимодействие между разработчиками ветряных электростанций и землевладельцами

разработали модель, описывающую, как в процессе создания ветряных ферм взаимодействие между девелоперами и землевладельцами влияет на затраты на производство энергии.

Тейлор Кубота

Ветряные электростанции — это большие, высокотехнологичные проекты, но их разработка часто зависит от личных решений, принимаемых отдельными землевладельцами и небольшими сообществами. Признавая силу человеческого фактора в планировании ветряных электростанций, исследователи Стэнфордского университета разработали модель, которая учитывает, как взаимодействие между разработчиками и землевладельцами влияет на успех и стоимость ветряных электростанций.

Исследователи разработали новую модель затрат на разработку ветряных электростанций, в которой учитывается, как взаимодействие между разработчиками и землевладельцами влияет на общую стоимость. (Изображение предоставлено Getty Images)

«Я работал над оценкой затрат на ветряные электростанции около 10 лет и обнаружил, что мягкие затраты — в основном взаимосвязь затрат между людьми — не принимаются во внимание», — сказала Эрин Макдональд, доцент кафедры машиностроения в Стэнфорде. . «Существующие модели могут рассказать нам, как получить немного больше стоимости, повернув лопасть немного по-другому, но не сосредоточены на причинах, по которым сообщество принимает или отклоняет ветряную электростанцию.”

В статье, опубликованной 19 июня в журнале Journal of Mechanical Design , исследователи представляют модель, которая выделяет три действия, которые разработчики могут предпринять в процессе приобретения землевладельца: встречи с общественностью, предварительные экологические исследования и совместные планы по планировке ветряных турбин с землевладельцем — и исследует, как эти действия повлияют на конечную стоимость ветряной электростанции. Анализ затрат показывает, что эти действия, хотя и способствуют увеличению первоначальных затрат, могут в конечном итоге сэкономить деньги разработчикам.

С дополнительным вкладом из реальных примеров приобретения землевладельцев, исследователи надеются усовершенствовать эту модель, чтобы в конечном итоге повысить успешность реализации проекта и снизить общие затраты на разработку ветряной электростанции.

Количественная оценка взаимодействий

В процессе планирования ветряной электростанции разработчик использует модели, чтобы предсказать, сколько будет стоить проект по сравнению с тем, сколько энергии он будет производить. Эти модели представляют собой математические формулы, которые отображают отношения между различными частями проекта, такими как материалы, рабочая сила, земля и, в данном случае, взаимодействия между разработчиками и землевладельцами.

В предыдущей работе Макдональд и ее бывший аспирант и докторант Ле Чен создали модель, в которой они интегрировали принятие решений землевладельцем в модель оптимизации компоновки ветряной электростанции, которая в остальном фокусируется на том, какая физическая компоновка будет производить больше всего энергии. С помощью этой модели разработчики могут предвидеть и расставлять приоритеты, какие землевладельцы будут иметь наибольшее влияние на успех их проекта. Эта последняя работа добавляет подробности о других межличностных взаимодействиях на раннем этапе разработки.

«Когда я работал в энергетической отрасли, в моделях, которые я использовал, часто не хватало человеческого вклада», — сказала Сита Сьял, аспирант в области машиностроения и ведущий автор статьи. «Мы не отрицаем строгость экономического или инженерного анализа, но мы призываем разработчиков также учитывать преимущества социального анализа».

«Эта работа дает разработчикам основу для оценки различных действий, в то время как сейчас трудно сравнивать потенциальные последствия этих действий, например, как инвестирование в отношения с землевладельцами сочетается с покупкой более эффективного оборудования», — сказал Ицин Дин, аспирант. Кандидат технических наук, соавтор статьи.

Чтобы учесть мягкие затраты в своей модели, исследователям пришлось изучить и провести мозговой штурм различные сценарии взаимодействий, которые происходят во время разработки ветряных электростанций, и их результатов, а затем преобразовать наиболее важные детали этих взаимодействий в формулы, которые можно интегрировать с другими традиционные модели анализа проектов. Их модель, которая является первоначальным подтверждением концепции, предполагает, что действия, которые увеличивают участие землевладельцев в процессе планирования, приводят к тому, что большее количество землевладельцев соглашается с контрактом на застройку, и это увеличение согласия приведет к общей экономии затрат — особенно в тех случаях, когда они предотвратить провал проекта.

«Модель предполагает, что принятие упреждающих мер может улучшить принятие землевладельцев, но также может повлечь за собой расходы», — сказал Дин. «Время также важно: мы обнаружили, что принятие мер может повлиять на принятие землевладельцами».

В то время как некоторые застройщики проводят общественные собрания и предварительные экологические исследования, поделиться планом расположения с землевладельцами редко. Как правило, все землевладельцы, задействованные в ветряной электростанции, получают неопределенный контракт, в котором фактически не указывается, как их земля будет использоваться в окончательном проекте и, соответственно, сколько денег им будет заплачено.

Процесс совместного проектирования

Исследователи признают, что сделать процесс разработки более прозрачным — сложная задача, которая увеличивает первоначальные затраты. Тем не менее, они по-прежнему с оптимизмом смотрят на потенциал инновационных совместных действий, которые в конечном итоге могут улучшить успех и ценность энергии ветра.

Например, Макдональд предполагает, что макеты планов турбин в виртуальной реальности могут увеличить принятие контрактов с землевладельцами, учитывая, что предыдущие исследования показали, что люди, как правило, более склонны воспринимать внешний вид турбин, когда они видят их на месте.

«Это было бы похоже на процесс совместного проектирования между девелоперами и землевладельцами», — сказал Макдональд. «Разработчик совместно включает землевладельца в процесс, показывая им не только то, где будут находиться турбины, но и объясняя преимущества и недостатки различных планировок».

Другие варианты повышения прозрачности и сотрудничества могут включать облегчение чтения контрактов и предоставление землевладельцам некоторого выбора, например, двух альтернативных вариантов использования их земли.

Между тем, экспериментальная модель для принятия землевладельцами требует постоянных исследований и доработки. Исследователи надеются увидеть больше исследований мягких затрат для ветряных электростанций в целом и хотели бы получить больше информации о процессах разработчиков, которые, как правило, являются собственностью, чтобы сделать модель полезной для них.

Лучшим результатом было бы то, что все их кропотливые усилия по переработке и преобразованию человеческого взаимодействия в математические отношения привели бы к программе, в которой разработчик мог бы, например, ввести сумму денег, которую он планирует потратить на общественные собрания, и получить вероятность для землевладельца. контракты, адаптированные к этому сообществу.

«Мы думаем о многих шагах вперед, но когда-нибудь это может стать инструментом для создания поддерживаемой сообществом устойчивой энергетической инфраструктуры», — сказал Сиал.

Это исследование частично основано на работе, поддержанной Национальным научным фондом.