Оценка ветровых ресурсов
Оценка ветровых ресурсов – это процесс, с помощью которого разработчики ветроэнергетики оценивают будущую выработку энергии ветряной электростанцией . Точная оценка ветровых ресурсов имеет решающее значение для успешного развития ветряных электростанций.
История
[ редактировать ]Современные оценки ветровых ресурсов проводятся с тех пор, как в конце 1970-х годов были построены первые ветряные электростанции. Используемые методы были впервые разработаны разработчиками и исследователями в Дании , где впервые возникла современная ветроэнергетика .
Карты ветровых ресурсов
[ редактировать ]
Картирование потенциала ветроэнергетических ресурсов с высоким разрешением традиционно выполнялось на уровне страны правительством или исследовательскими агентствами, отчасти из-за сложности процесса и интенсивных вычислительных требований. Однако в 2015 году Технический университет Дании в рамках Министерской конференции по чистой энергетике запустил Глобальный атлас ветров (версия 1.0), чтобы предоставить свободно доступные данные о потенциале ветровых ресурсов во всем мире. Глобальный атлас ветров был перезапущен в ноябре 2017 года (версия 2.0) в партнерстве со Всемирным банком , и карты ветровых ресурсов теперь доступны для всех стран с разрешением 250 метров.
Еще одним подобным международным примером является Европейский атлас ветров , который находится в процессе обновления в рамках проекта « Новый европейский атлас ветров», финансируемого Европейским Союзом .
Примеры карт ветровых ресурсов страны включают Атлас ветровых ресурсов Канады , Атлас ветровых ресурсов США и серию карт ветровых ресурсов, опубликованных Всемирным банком в рамках инициативы, запущенной ESMAP в 2013 году и ориентированной на развивающиеся страны. [1] Это последовало за предыдущей инициативой Программы ООН по окружающей среде — проектом «Оценка ресурсов солнечной и ветровой энергии » (SWERA), который был запущен в 2002 году при финансовой поддержке Глобального экологического фонда . Однако карты ветровых ресурсов этих стран в значительной степени заменены Глобальным атласом ветров с точки зрения качества данных, методологии и разрешения выходных данных.
Вышеупомянутые глобальные и страновые картографические результаты, а также многие другие также доступны через Глобальный атлас возобновляемых источников энергии. [2] Разработано Международным агентством по возобновляемым источникам энергии (IRENA), которое объединяет общедоступные данные ГИС о ветровых и других возобновляемых источниках энергии.
Разведку ветра можно начать с использования таких карт, но недостаточная точность и мелкая детализация делают их полезными только для предварительного выбора мест для сбора данных о скорости ветра. [3] С увеличением количества наземных измерений со специально установленных анемометрических станций, а также эксплуатационных данных с введенных в эксплуатацию ветряных электростанций точность карт ветровых ресурсов во многих странах со временем улучшилась, хотя охват в большинстве развивающихся стран все еще неоднороден. В дополнение к общедоступным источникам, перечисленным выше, карты доступны в качестве коммерческих продуктов через специализированные консультации, или пользователи программного обеспечения ГИС могут создавать свои собственные, используя общедоступные данные ГИС, такие как набор данных о ветре высокого разрешения Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США. [4]
Хотя точность повысилась, маловероятно, что карты ветровых ресурсов, будь то общедоступные или коммерческие, устранят необходимость в измерениях на месте для проектов ветрогенерации в масштабах коммунальных предприятий. [5] Однако картографирование может помочь ускорить процесс идентификации объекта, а наличие высококачественных наземных данных может сократить время, необходимое для сбора измерений на месте.
В дополнение к «статическим» атласам ветровых ресурсов, которые усредняют оценки скорости ветра и плотности мощности за несколько лет, такие инструменты, как Renewables.ninja, обеспечивают изменяющееся во времени моделирование скорости ветра и выходной мощности различных моделей ветряных турбин с почасовым разрешением. [6]
Измерения
[ редактировать ]Чтобы оценить выработку энергии ветряной электростанцией, разработчики должны сначала измерить силу ветра на месте. метеорологические вышки, оборудованные анемометрами , флюгерами , а иногда и температуры , давления и датчиками Установлены относительной влажности. Данные с этих вышек должны записываться как минимум за один год, чтобы рассчитать годовое репрезентативное распределение частоты скорости ветра.
Измерения, собранные с помощью устройств дистанционного зондирования, таких как SODAR и LiDAR, получают признание в ветроэнергетике. Для морских измерительных кампаний плавучие системы LiDAR стали стандартом. [7]
Поскольку измерения на месте обычно доступны только в течение короткого периода времени, данные также собираются с близлежащих долгосрочных опорных станций (обычно в аэропортах). Эти данные используются для корректировки данных измерений на месте, чтобы средние скорости ветра были репрезентативными для долгосрочного периода, для которого измерения на месте недоступны. Версии этих карт можно просмотреть и использовать с помощью таких программных приложений, как WindNavigator .
Расчеты
[ редактировать ]Для точной оценки производства энергии предлагаемого проекта ветряной электростанции необходимы следующие расчеты:
- Взаимосвязь между местными метеорологическими вышками:
- На крупных ветряных электростанциях обычно устанавливаются несколько метеорологических вышек. Для каждой вышки будут периоды времени, когда данные отсутствуют, но были записаны на другой вышке на объекте. наименьших квадратов линейную регрессию Для заполнения недостающих данных можно использовать и другие, более специфичные для ветра методы регрессии. Эти корреляции более точны, если башни расположены рядом друг с другом (на расстоянии нескольких километров), датчики на разных башнях относятся к одному типу и установлены на одинаковой высоте над землей.
- Взаимосвязь между долгосрочными метеостанциями и местными метеорологическими вышками:
- Поскольку ветер варьируется от года к году, а производимая электроэнергия связана с кубом скорости ветра, краткосрочные (< 5 лет) измерения на месте могут привести к весьма неточным оценкам энергии. Поэтому данные о скорости ветра с близлежащих долгосрочных метеостанций (обычно расположенных в аэропортах) используются для корректировки данных на месте. Обычно используется линейная регрессия наименьших квадратов, хотя существуют и несколько других методов.
- Вертикальный сдвиг для экстраполяции измеренных скоростей ветра на высоту ступицы турбины:
- Высота ступицы современных ветряных турбин обычно составляет 80 м или более, но разработчики часто не хотят устанавливать башни высотой более 60 м из-за необходимости получения разрешения Федерального управления гражданской авиации США и затрат. Профили вертикального сдвига на основе степенного и логарифмического закона являются наиболее распространенными методами экстраполяции измеренной скорости ветра на высоту ступицы.
- Моделирование ветрового потока для экстраполяции скорости ветра по участку:
- Скорость ветра может значительно различаться на территории ветряной электростанции, если местность сложная (холмистая) или имеются изменения в неровностях (высота растительности или зданий). Для расчета этих изменений скорости ветра используется программное обеспечение для моделирования ветрового потока, основанное либо на традиционном линейном подходе WAsP , либо на новом подходе CFD .
- Производство энергии с использованием кривой мощности производителя ветряных турбин:
- После расчета долгосрочных скоростей ветра на высоте ступицы кривая мощности производителя используется для расчета валового производства электроэнергии каждой турбиной ветряной электростанции.
- Применение коэффициентов потерь энергии:
- Для расчета чистого производства энергии ветряной электростанцией к валовому производству энергии применяются следующие коэффициенты потерь:
- потеря следа ветровой турбины
- наличие ветряной турбины
- электрические потери
- деградация лезвия из-за льда/грязи/насекомых
- отключение при высокой/низкой температуре
- отключение при высокой скорости ветра
- сокращения из-за проблем с сетью
- Для расчета чистого производства энергии ветряной электростанцией к валовому производству энергии применяются следующие коэффициенты потерь:
Программные приложения
[ редактировать ]Разработчики ветроэнергетики используют различные типы программных приложений для оценки ветровых ресурсов.
Управление данными о ветре
[ редактировать ] |
Программное обеспечение для управления данными о ветре помогает пользователю собирать, хранить, извлекать, анализировать и проверять данные о ветре. Обычно наборы данных о ветре собираются непосредственно из регистратора данных, расположенного на месте метеорологического мониторинга, и импортируются в базу данных. Как только набор данных окажется в базе данных, его можно проанализировать и проверить с помощью инструментов, встроенных в систему, или его можно экспортировать для использования во внешнем программном обеспечении для анализа данных о ветре, программном обеспечении для моделирования ветровых потоков или программном обеспечении для моделирования ветряных электростанций.
Многие производители регистраторов данных предлагают программное обеспечение для управления данными о ветре, совместимое с их регистраторами. Эти пакеты программного обеспечения обычно собирают, хранят и анализируют данные только из собственных регистраторов производителя.
Существует стороннее программное обеспечение и службы управления данными, которые могут принимать данные от самых разных регистраторов и предлагать более комплексные инструменты анализа и проверки данных.
Анализ данных о ветре
[ редактировать ]Программное обеспечение для анализа данных о ветре помогает пользователю удалять ошибки измерений из наборов данных о ветре и выполнять специализированный статистический анализ.
Имитационное моделирование атмосферы
[ редактировать ]Методы моделирования ветрового потока рассчитывают карты ветрового потока с очень высоким разрешением, часто с горизонтальным разрешением менее 100 метров. При моделировании с высоким разрешением, чтобы избежать превышения доступных вычислительных ресурсов, типичные модельные области, используемые этими мелкомасштабными моделями, имеют расстояние в несколько километров по горизонтали и несколько сотен метров по вертикали. Модели с такой маленькой областью измерения не способны улавливать атмосферные явления мезомасштаба, которые часто определяют характер ветра. Чтобы преодолеть это ограничение, вложенное моделирование . иногда используется [8]
Моделирование ветровых потоков
[ редактировать ]Программное обеспечение для моделирования ветрового потока предназначено для прогнозирования важных характеристик ветрового ресурса в местах, где измерения недоступны. Наиболее часто используемым таким программным приложением является WAsP, созданное в Национальной лаборатории Рисё в Дании. WAsP использует модель потенциального потока, чтобы предсказать, как ветер обтекает местность на участке. Meteodyn WT и WindStation — это аналогичные приложения, которые вместо этого используют расчеты вычислительной гидродинамики ( CFD ), которые потенциально более точны, особенно для сложных ландшафтов. [9]
Моделирование ветряной электростанции
[ редактировать ]Программное обеспечение для моделирования ветряных электростанций предназначено для моделирования поведения предлагаемой или существующей ветряной электростанции, что наиболее важно для расчета ее производства энергии. Пользователь обычно может вводить данные о ветре, контурные линии высоты и шероховатости, характеристики ветряных турбин, фоновые карты и определять объекты, которые представляют собой экологические ограничения. Эта информация затем используется для проектирования ветряной электростанции, которая максимизирует производство энергии, принимая во внимание ограничения и проблемы строительства. Доступно несколько программных приложений для моделирования ветряных электростанций, включая ZephyCFD , Meteodyn WT , Openwind , Windfarmer , WindPRO , WindSim и WAsP .
Моделирование ветряной электростанции среднего масштаба
[ редактировать ]В последние годы [ когда? ] новый тип развития ветряных электростанций вырос из-за возросшей потребности в распределенном производстве электроэнергии из местных ветровых ресурсов. Этот тип ветровых проектов в основном реализуют землевладельцы с высокими энергетическими потребностями, такие как фермеры и управляющие промышленными объектами. Особым требованием с точки зрения моделирования ветра является включение всех местных особенностей, таких как деревья, живые изгороди и здания, поскольку высота ступиц турбин варьируется от 10 до 50 метров. Подходы к моделированию ветра должны включать эти функции, но очень немногие из доступных коммерческих программ для моделирования ветра предоставляют такую возможность. По всему миру было создано несколько рабочих групп для изучения этих требований к моделированию, и такие компании, как Digital Engineering Ltd (Великобритания), NREL (США), DTU Wind Energy (Дания), находятся в авангарде разработок в этой области и изучают применение для этой цели методов моделирования ветра мезо-CFD.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Сопоставление ресурсов RE | ESMAP» .
- ^ «Глобальная Галерея Атласа 3.0» .
- ^ Бейли, Брюс Х.; Макдональд, Скотт Л.; Бернадетт, Дэниел В.; Маркус, Майкл Дж.; Эльшольц, Курт В. (апрель 1997 г.). «Справочник по оценке ветровых ресурсов» (PDF) . Субподряд № ТАТ-5-15283-01 . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . Проверено 28 января 2009 г.
- ^ «NREL: Динамические карты, данные ГИС и инструменты анализа — данные о ветре» . www.nrel.gov . Архивировано из оригинала 11 июня 2011 г.
- ^ «awea.org | Ресурсы» . www.awea.org . Архивировано из оригинала 30 августа 2006 г.
- ^ Стаффелл, Иэн; Пфеннингер, Стефан (1 ноября 2016 г.). «Использование повторного анализа с коррекцией смещения для моделирования текущей и будущей мощности ветра» . Энергия . 114 : 1224–1239. дои : 10.1016/j.energy.2016.08.068 . hdl : 20.500.11850/120087 .
- ^ Пачке, Эрик; Цвик, Сара; Готшалл, Джулия. «Создание плавучего лидара стандартом для измерения ресурсов ветра на море» . Энергетические и энергетические решения . Проверено 21 марта 2024 г.
- ^ Аль-Яхьяи, Султан (январь 2012 г.). «Подход вложенного ансамбля ЧПП для оценки энергии ветра». Возобновляемая энергия . 37 (1): 150–160. doi : 10.1016/j.renene.2011.06.014 .
- ^ Перейра, Р; Гедес, Рикардо; Сильва Сантос, Карлос (1 января 2010 г.). «Сравнение оценок ветровых ресурсов WAsP и CFD для «обычного» пользователя» .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь )
