Уравнения для определения энергетических и аккумуляторных периодов ветра в Ростовской области

УДК 621.548

УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И АККУМУЛЯТОРНЫХ ПЕРИОДОВ ВЕТРА В РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

© 2014 г. С.М. Воронин, И.В. Закиров, Ф.В. Закиров

Описан способ получения уравнений для определения частоты появления непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов ветра в Ростовской области, включающий в себя статистическую обработку данных о скорости ветра за последние 15 лет средствами приложения Microsoft Office Excel. Предлагается использовать эти уравнения для определения параметров автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом.

Ключевые слова: ветроустановки, автономные ветроэлектростанции, энергетический период, аккумуляторный период, скорость ветра, случайная величина, частота появления, статистическая обработка, ветроэнергопотециал, закон распределения.

The article describes a method for receiving equations for determination of frequency of occurrence of continuous energy and accumulation periods, which includes statistical manipulation of wind speed data of Rostov region for last 15 years with Microsoft Office Excel. These equations are recommended for using in determination of parameters of autonomous with accumulated reserve wind farms.

Key words: wind generator, autonomous windfarms, energy period, accumulation period, wind speed, random variable, frequency of occurrence, statistical manipulation, wind energy potential, partition law.

Сейчас все сильнее проявляется интерес к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ), особенно к энергии ветра и энергии солнечного излучения. Традиционные источники энергии, такие как углеводородное топливо, атомная энергия и энергия водных ресурсов, имеют ряд недостатков, которые и заставляют человечество все больше использовать ВИЭ. Среди всех недостатков традиционных источников энергии, в первую очередь, следует выделить следующие: ограниченный запас углеводородного топлива, сильное загрязнение окружающей среды, катастрофические последствия в случае аварий на атомных станциях.

Использование энергии ветра является одним из наиболее развитых направлений ВИЭ. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) могут обеспечить электричеством как отдельные дома, так и небольшие поселки. Сегодня ветроэнергетика является сектором энергетики более чем в 50 странах мира. Суммарная мощность 150 тыс. ВЭУ в составе сетевых ветростанций на конец 2009 г. составила 159 ГВт. За 2009 г. в эксплуатацию было введено

39 ГВт ВЭУ, их установленная мощность по сравнению с концом 2008 г. (120 ГВт) выросла на 32%. Выработка ими электроэнергии в 2009 г. достигла 324 ТВт*ч. [1].

ВЭУ могут использоваться в случае отсутствия сетевой электроэнергии (фермерские хозяйства, дачные участки, пасеки и др.), а также служить резервным источником электроснабжения. Как правило, маломощные автономные ВЭУ генерируют постоянный ток для заряда аккумуляторных батарей [2]. Особенно перспективно применение ВЭУ в автономных системах электроснабжения.

При выборе мощности ВЭУ для автономного электроснабжения какого-либо объекта, а также емкости аккумуляторной батареи или мощности резервного источника, важнейшую роль играет оценка вет-роэнергопотенциала той местности, где предполагается установка ветроагрегата [3]. Это связано с тем, что ветер - один из наиболее изменчивых метеорологических элементов. Оценкой вероэнергопотенциала занимаются ученые во многих странах мира [4, 5].

Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению и сильно зависит от высоты над уровнем земли [6, 7]. Однако в России есть регионы, где возможность экономически выгодного использования энергии ветра не вызывает сомнений [8].

В случае использования автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом необходимы данные о продолжительности непрерывных энергетических периодов (периоды со скоростью ветра большей либо равной рабочей скорости ВЭУ) и аккумуляторных периодов ветра (периоды со скоростью ветра меньше рабочей скорости ВЭУ). Несмотря на то, что такие сведения в метеорологических справочниках не приводятся, имеющиеся данные метеостанций о погоде, в том числе и о скорости ветра, позволяют определить интересующие нас параметры (продолжительность непрерывных энергетических (1;Э) и аккумуляторных (1;А) периодов).

Энергетические и аккумуляторные периоды являются случайными величинами, поэтому имеет смысл говорить только

о вероятности продолжительности этих периодов. В общем случае вероятности того, что продолжительность энергетического или аккумуляторного периодов будет находиться внутри заданного интервала, зависят от закона распределения этих величин [9]. Исходя из этого, в данной работе была сделана попытка определить закономерности распределения этих периодов.

Для определения закона распределения 1;Э и 1;А использовался архив погоды в Ростове-на-Дону с 1999 г. по 2013 г. [10]. Скорость ветра, как и другие данные о погоде, измерялась через каждые три часа, т.е. восемь раз в сутки. Однако в имеющемся архиве в некоторых случаях отсутствует информация о погоде за периоды от шести часов до пары дней, поэтому было принято решение исключить эти периоды из общего массива данных и считать, что периоды с известной скоростью ветра непрерывны. В результате были получены графики ветра по месяцам, пример такого графика для сентября 2009 г. представлен на рисунке 1.

16

14

TflL'VijUTIKE.Il' периоды

Рисунок 1 - График ветра для сентября 2009 года Каждому графику соответствует ленный в виде таблицы приложения Mi-набор данных о скорости ветра, представ- crosoft Office Excel (таблица 1). Для

нахождения 1;Э и tA были написаны макросы на языке VBA (Visual Basic for Applications), которые подсчитывают количество непрерывно идущих интервалов с определенными параметрами (скорость ветра больше либо равна заданной или меньше заданной) и переводят это количество в часы. В результате были получены таблицы, в которых содержатся данные о продолжительности энергетических и аккумуляторных периодов ветра (таблица 2).

Полные результаты обработки отражают информацию об энергетических и аккумуляторных периодах ветра в Ростове-на-Дону за последние пятнадцать лет, содержатся в соответствующих таблицах, которые здесь из-за большого объема не приводятся.

Дальнейший анализ предполагал нахождение статистического распределения периодов ^ и tA. Для этой цели был написан макрос, который работает с выбранным набором таблиц. В результате выполнения макроса были получены данные о частоте появления одинаковых по

продолжительности периодов 1;Э и 1;А (таблица 3).

На основании полученных данных были построены графики частоты непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов, примеры которых приведены на рисунках 2 и 3.

Обработка полученных графиков позволила получить зависимости с высокой степенью аппроксимации. Так, например, алгебраическая запись зависимости, которая описывает распределение периодов со скоростью ветра > 8 м/с, выглядит следующим образом:

у = 1890,7х-1'621

где у - частота;

х - продолжительность непрерывного периода, часов.

Полученные в результате статистической обработки данные могут быть использованы для определения оптимальной рабочей скорости ветроустановки.

Таблица 1 - Данные о скорости ветра в 2009 году

Интервалы Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Скорость ветра м/с

1 1 8 0 3 3 3 0 2 3 4 4 3

2 1 9 3 3 0 2 4 1 2 3 4 2

3 0 0 3 1 0 2 6 3 4 0 5 3

4 1 7 4 2 5 4 7 3 5 3 4 5

5 1 7 5 2 4 4 6 4 7 5 6 3

6 3 7 7 4 5 5 3 3 8 4 6 5

7 3 6 6 5 6 4 4 3 6 4 6 5

8 3 4 5 5 4 3 4 0 6 2 6 5

9 3 1 5 5 4 4 5 2 7 2 6 6

10 3 0 7 3 2 4 5 0 4 0 7 6

11 7 4 0 3 2 4 5 0 0 3 7 0

12 4 4 7 3 2 3 6 2 7 3 7 5

13 3 5 7 4 3 6 6 3 9 6 9 6

14 6 4 5 7 8 5 4 3 10 10 10 8

• • • • • • • • • • • • • • •

Таблица 2 - Данные о продолжительности периодов

со скоростью ветра > 8 м/с и < 8 м/с в 2009 году

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

Продолжительность периодов со скоростью ветра > 8 м/с, часов

9 6 33 3 3 9 6 6 3 6 36 39

3 15 12 15 15 9 3 6 6 3 33 3

9 3 3 6 3 9 6 9 3 6 81

3 12 21 3 6 60 9 3 6 3 3

6 12 6 9 6 6 3 15 15 27 36

24 3 3 12 6 3 15 9 9

6 15 24 12 9 3 3

9 6 12 6 6 3 18

6 3 9 18 3 21 3

3 6 3 3 6

24 3 6 15

3 6 6

6

6

Продолжительность периодов со скоростью ветра < 8 м/с, часов

189 156 117 42 36 246 258 240 15 36 36 36

9 3 3 36 60 228 39 156 15 321 9 3

30 12 3 84 174 12 3 297 105 117 21 36

105 42 99 45 15 90 15 6 117 6 42

12 18 6 81 12 12 99 3 12 3 99

84 12 3 12 222 12 192 3 78 3 21

57 6 96 9 123 33 15 3 24

54 3 42 45 246 21 51

3 15 54 3 21 3 66

24 99 3 42 180 222 24

6 42 162 180 12

36 66 15 9

6 15 12

57

Таблица 3 - Данные о частоте появления одинаковых по продолжительности периодов со скоростью ветра > 8 м/с

Частота 341 178 100 43 38 23 18 7 11 5 7

Продолжительность периода со скоростью ветра > 8 м/с 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

Рисунок 2 - Распределение периодов со скоростью ветра > 8 м/с

Рисунок 3 - Распределение периодов со скоростью ветра < 8 м/с

Выводы:

- одной из наиболее важных характеристик ветра, при определении параметров автономной ветроэлектростанции с акку-

муляторным резервом, являются данные о продолжительности непрерывных энергетических и аккумуляторных периодов;

- энергетические и аккумуляторные периоды чередуются, и вероятности того, что продолжительность этих периодов будет находиться внутри заданного интервала, зависят от закона распределения этих величин;

- в результате исследования были получены зависимости, которые могут быть использованы для определения параметров автономной ветроэлектростанции с аккумуляторным резервом.

Литература

1. Попель, О.С. Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы / О.С. Попель // ЭнергоСовет: электронный журнал. - 2011. - № 5. - С. 22-26.

2. Мургин, В.А. Использование энергий солнца и ветра для бесперебойного альтернативного снабжения зданий / В.А. Мургин, Н.В. Кузнецова // Научный вестник ВГАСУ: материалы 13-й межрегиональной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии». -2010. - С. 152-155.

3. РД 52.04.275-89 Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок [Электронный ресурс] // Руководящие документы по энергетическому комплексу [Сайт]. - Режим доступа: http://en-doc.ru/rd-52-04-275-89.

4. Zaccheus O. Olaofe. Statistical Analysis of the Wind Resources at Darling for Energy Production / Zaccheus O. Olaofe, Komla A. Folly // International journal of renewable energy research. - 2012. - № 2. - Р. 243-249.

5. Assessment of the capacity credit of wind power in Mexico / Juan Pablo Yânez, Alexander Kunith, Roberto Châvez-Arroyo, Alejandro Romo-Perea, Oliver Probst // Renewable Energy. - 2014. - № 72. - Р. 62-78.

6. Joachim Peinke. Wind Energy. Colloquium Proceedings of the Euromech / Joachim Peinke, Peter Schaumann, Stephan Barth. - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007.

7. Wind speed and power characteristics at different heights for a wind data collection tower in Saudi Arabia / Alam Md. Mahbub, Shafiqur Rehman, Josua Meyer, Luai M. Al-Hadhrami // World Renewable Energy Congress. - 2011. - Р. 4082-4089.

8. Харитонов, В.П. Автономные ветроэлектрические установки / В.П. Харитонов. - Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2006. - 280 с.

9. Воронин, С.М. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на возобновляемых источниках энергии: монография / С.М. Воронин. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2010. - 304 с.

10. Архив погоды в Ростове-на-Дону с 1999 года [Электронный ресурс] // Ros-tovMeteo.ru [Сайт]. - Режим доступа: http://www.rostovmeteo.ru/archive.php.

Сведения об авторах Воронин Сергей Михайлович - доктор техн. наук, профессор кафедры «Энергетика», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8(86359) 42-4-00.

Закиров Илья Валерьевич - аспирант кафедры «Энергетика», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8(86359) 42-4-00.

Закиров Федор Валерьевич - аспирант кафедры «Энергетика», Азово-Черноморский инженерный институт ДГАУ в г. Зернограде. Тел.: 8(86359) 42-4-00.

Information about the authors Voronin Sergey Mikhailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Energetics department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd. Pho^: 8(86359) 42-4-00.

Zakirov Iljya Valerievich - post-graduate student of the Energetics department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd. Phora: 8(86359) 42-4-00.

Zakirov Fedor Valerievich - post-graduate student of the Energetics department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd. Phone: 8(86359) 42-4-00.