Использование возобновляемых источников энергии в Российской Федерации, в том числе ветроэнергетических установок (ВЭУ), получает всё большее распространение. Хотя стоимость электрической энергии, выработанной на таких объектах, всё ещё высока по сравнению с объектами «традиционной» (углеводородной и атомной) энергетики, не стоит забывать, что стоимость эксплуатации непосредственно самих ветряных электростанций ничтожно низкая.
Мощность ветроэнергетической установки, как и стоимость выработанной электрической энергии, в данном случае зависит от скорости ветра. Чем она больше, тем ниже себестоимость произведённой энергии и выше мощность установки (рис. 1).
По данным исследовательской организации Bloomberg New Energy Finance (BNEF) [7], средняя стоимость 1 МВт ветровой энергии в мире в 2018 году составляла один миллион долларов. На рис. 2 представлена зависимость себестоимости электроэнергии от скорости ветра для установки Enercon E-103 EP2 с учётом срока службы в 20 лет.
Следовательно, большое значение для эффективности работы ветроэнергетической станции (ВЭС) имеет процесс выбора места строительства объекта.
Процесс выбора площадки для возведения ВЭС
На предварительном этапе происходит анализ местности, который включает в себя выполнение работ [1]:
- составление базы метеоданных;
- составление базы данных моделей ВЭУ;
- анализ топографических карт;
- предварительный анализ ветроэнергетического потенциала.
Первоначальными источниками информации о скорости и направлении ветра могут являться многолетние архивные спутниковые или наземные данные, такие как METAR и MERRA. Данные METAR — это метеоданные аэропортов, доступные на высоте 10 м с разрешением 30 минут и один час. Данные MERRA могут быть получены из Управления глобального моделирования и ассимиляции NASA. Эти данные доступны на высоте 50 м с шагом 0,5° широты и 2/3° долготы.
Также данные о скорости ветра можно найти на специальных сайтах, таких как «Погода России» (meteo.infospace.ru) или «Расписание погоды» (rp5.ru), где представлены многолетние архивы измерений скорости ветра в определённых районах с детализацией до нескольких измерений в сутки. По полученным данным определяется среднегодовая скорость ветра и роза ветров в данном районе (рис. 3).
Роза ветров служит для графического представления многолетней статистики измерений. На данном этапе происходит принятие решения о целесообразности исследования.
Выбор ветроэнергетической установки также имеет некоторые особенности. Основными техническими требованиями при выборе ВЭУ являются: возможность доставки ВЭУ на площадку монтажа, возможность доставки крана на площадку монтажа, единичная номинальная мощность ВЭУ, допустимые температурные диапазоны ВЭУ [3], класс ВЭУ в соответствии со стандартом IEC 61400–1 [3].
При выборе площадки под строительство ВЭУ необходимо также учесть рельеф местности, так как такие орографические элементы, как холмы, леса, горы, крутые насыпи, а также моря и озера оказывают влияние на местный ветровой климат. Отметим, что создание трёхмерной модели земной поверхности на выбранном участке поможет точнее воспроизвести карту ветрового потенциала местности. Исходными данными для выполнения данной задачи может послужить радарная топографическая съёмка большей части земной поверхности Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), произведённая NASA в 2000 году [6].
Моделирование рельефа включает в себя следующие пункты [1]: выбор исходных данных, преобразование данных и создание трёхмерной модели рельефа.
Затем происходит строительство карты ветрового потенциала местности с помощью компьютерного моделирования (рис. 4). Оно включает в себя [1]: ввод начальных условий, моделирование ветрового потока по основным направлениям, предварительный выбор наиболее перспективных зон, определение площади перспективных площадок.
Данное решение позволяет оценить ветровой потенциал без использования дорогостоящих физических моделей, тем самым сэкономив множество финансовых и трудовых ресурсов. В то же время данный подход обладает достаточной точностью получаемых данных [1].
Для более точного измерения скорости и направления ветра могут быть использованы такие современные измерительные средства, как Light Identification Detection and Ranging (LIDAR) или Sonic Detection And Ranging (SODAR).
Термин LIDAR означает «лазерный дальномер» или «лазерное обнаружение и обработка изображений ранжированием», указывающий, что измерения выполняются с помощью световых волн.
Принцип действия системы LIDAR заключается в следующем. Система посылает лазерный луч в воздух, получаемый свет рассеивается аэрозолями (крошечными частицами пыли с диаметром от 0,1 до нескольких микрон в атмосфере). Свойства атмосферы анализируются на основе принимаемого сигнала. Сигналы от движущихся объектов имеют доплеровское смещение частоты, пропорциональное их скорости, что позволяет рассчитать скорость аэрозолей.
В результате мы можем измерить скорость и направление ветра [4].
SODAR — это системы, которые используются для дистанционного измерения структуры вертикальной турбулентности и профиля ветра в нижних слоях атмосферы. Большинство систем SODAR работают, испуская за короткие промежутки времени акустический пульсирующий сигнал и затем принимая отражённый сигнал.
Вообще, интенсивность, как и так называемое «доплеровское (частотное) смещение» отражённого сигнала анализируется с целью определения скорости ветра, его направления и характеристик турбулентности атмосферы. Профиль атмосферы как функция высоты может быть получен путём анализа отражённого сигнала, который фиксируется приёмным устройством после каждого переданного передатчиком импульса. Отражённый сигнал, который будет зафиксирован при любом времени задержки между передачей и приёмом (откликом), позволяет получить данные о состоянии атмосферы с распределением по высоте, зависящие от скорости распространения звука в различных средах [5].
Также более точные данные о характере ветра в данной местности можно получить с помощью установки ветроизмерительного комплекса. Ветроизмерительный комплекс (ВИК) представляет из себя набор метеорологических приборов, установленных на определённых высотах на метеомачте.
После получения всех необходимых данных проводится уточнённая оценка ветроэнергетического потенциала местности и выработки будущей ветровой электростанции.
