Оценка ветровых ресурсов - Википедия - Wind resource assessment

Оценка ветровых ресурсов это процесс, посредством которого ветровая энергия разработчики оценивают будущее производство энергии ветряная электростанция. Точная оценка ветровых ресурсов имеет решающее значение для успешного развития ветряных электростанций.

История

Современные оценки ветровых ресурсов проводятся с момента создания первых ветряных электростанций в конце 1970-х годов. Используемые методы были впервые применены разработчиками и исследователями в Дания, где современный ветроэнергетика впервые разработан.

Карты ресурсов ветра

Карта ресурсов ветра для Филиппин, от Глобальный атлас ветров

Картирование потенциала ветроэнергетических ресурсов с высоким разрешением традиционно выполняется на уровне страны правительством или исследовательскими агентствами, отчасти из-за сложности процесса и требуемых интенсивных вычислений. Однако в 2015 г. Технический университет Дании, в рамках Министерство чистой энергии, запустил Глобальный атлас ветров (версия 1.0) для предоставления в свободном доступе данных о потенциале ветровых ресурсов во всем мире. Глобальный атлас ветров был перезапущен в ноябре 2017 г. (версия 2.0) в партнерстве с Всемирный банк, теперь карты ветровых ресурсов доступны для всех стран с разрешением 250 м.

Другой аналогичный международный пример - Европейский ветровой атлас, который находится в процессе обновления под Новый европейский ветровой атлас проект финансируется Евросоюз.

Примеры карт ветровых ресурсов страны включают Канадский ветровой атлас, то Атлас ветроэнергетических ресурсов США, а также серию карт ветров, опубликованных Всемирный банк в рамках инициативы, запущенной ESMAP в 2013 году, ориентированной на развивающиеся страны.[1] Это последовало за предыдущей инициативой Программа ООН по окружающей среде, то Оценка ресурсов солнечной и ветровой энергии (SWERA), который был запущен в 2002 году при финансировании Глобальный экологический фонд. Однако эти страновые карты ветровых ресурсов были в значительной степени заменены Глобальным атласом ветров с точки зрения качества данных, методологии и разрешения выходных данных.

Вышеупомянутые глобальные и страновые карты, а также многие другие, также доступны через Глобальный атлас возобновляемых источников энергии. [2] разработан Международное агентство по возобновляемой энергии (IRENA), который объединяет общедоступные ГИС данные об усилиях по использованию ветровых и других возобновляемых источников энергии.

Ветровую разведку можно начинать с использования таких карт, но отсутствие точности и мелких деталей делают их полезными только для предварительного выбора участков для сбора данных о скорости ветра.[3] С увеличением количества наземных измерений со специально установленных станций анемометров, а также с получением 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 возобновляемой энергии США.[4]

Хотя точность улучшилась, маловероятно, что карты ветровых ресурсов, будь то общедоступные или коммерческие, устранят необходимость проведения измерений на месте для проектов ветроэнергетики коммунального масштаба.[5] Однако картографирование может помочь ускорить процесс идентификации места, 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 Возобновляемые источники энергии. Ниндзя обеспечивать изменяющееся во времени моделирование скорости ветра и выходной мощности различных моделей ветряных турбин с почасовым разрешением.[6]

Измерения

Чтобы оценить производство энергии ветряной электростанцией, разработчики должны сначала измерить ветер на месте. Метеорологические башни оснащен анемометры, флюгеры, и иногда температура, давление, и датчики относительной влажности установлены. Данные с этих башен должны регистрироваться в течение как минимум одного года для расчета годового репрезентативного распределения частоты скорости ветра.

Поскольку измерения на месте обычно доступны только в течение короткого периода времени, данные также собираются из ближайших долгосрочных опорные станции (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 просматривать и использовать с такими программными приложениями, как WindNavigator.

Расчеты

Для точной оценки производства энергии в рамках предлагаемого проекта ветряной электростанции необходимы следующие расчеты:

  • Соотношения между местными метеорологическими вышками:
    • Множественные метеорологические башни обычно устанавливаются на больших площадках ветряных электростанций. Для каждой башни будут периоды времени, когда данные отсутствуют, но были записаны в другой башне на месте. Наименьших квадратов линейная регрессия и другие, более специфичные для ветра методы регрессии могут использоваться для заполнения недостающих данных. Эти корреляции более точны, если башни расположены рядом друг с другом (на расстоянии нескольких километров), датчики на разных башнях одного типа и установлены на одинаковой высоте над землей.
  • Взаимосвязи между долгосрочными метеорологическими станциями и местными метеорологическими вышками:
    • Поскольку ветер меняется из года в год, а производимая мощность зависит от куба скорости ветра, краткосрочные (<5 лет) измерения на месте могут привести к очень неточным оценкам энергии. Поэтому данные о скорости ветра от ближайших долгосрочных метеостанций (обычно расположенных в аэропортах) используются для корректировки данных на месте. Обычно используется линейная регрессия методом наименьших квадратов, хотя существует 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 больше, но разработчики часто не хотят устанавливать башни выше 60 м из-за необходимости FAA разрешение в США и расходы. Профили вертикального сдвига по степенному и логарифмическому законам являются наиболее распространенными методами экстраполяции измеренной скорости ветра на высоту ступицы.
  • Моделирование ветрового потока для экстраполяции скорости ветра на площадке:
    • Скорость ветра может значительно варьироваться в зависимости от участка ветряной электростанции, если местность сложный (холмистый) или есть изменения в грубость (высота растительности или построек). Программное обеспечение для моделирования ветрового потока, основанное на традиционных Оса линейный подход или новее CFD подход, используется для расчета этих изменений скорости ветра.
  • Производство энергии с использованием кривой мощности производителя ветряных турбин:
    • Когда были рассчитаны долгосрочные скорости ветра на высоте ступицы, производитель кривая мощности используется для расчета валового производства электроэнергии каждой турбиной ветряной электростанции.
  • Применение коэффициентов потерь энергии:
    • Чтобы рассчитать чистое производство энергии ветряной электростанцией, к валовому производству энергии применяются следующие коэффициенты потерь:
      • потеря следа ветровой турбины
      • наличие ветряных турбин
      • электрические потери
      • разрушение лезвия из-за льда / грязи / насекомых
      • отключение при высокой / низкой температуре
      • отключение при высокой скорости ветра
      • сокращения из-за проблем с сетью

Программные приложения

Основная статья: Программное обеспечение для ветроэнергетики

Разработчики ветровой энергии используют различные типы программных приложений для оценки ветровых ресурсов.

Управление данными о ветре

Программное обеспечение для управления данными о ветре помогает пользователю в сборе, хранении, извлечении, анализе и проверке данных о ветре. Обычно наборы данных о ветре собираются непосредственно из регистратора данных, расположенного на участке метеорологического мониторинга, и импортируются в базу данных. Как только набор данных находится 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 программные пакеты обычно собирают, хранят и анализируют данные только от собственных регистраторов производителя.

Существуют сторонние программы и службы для управления данными, которые могут принимать данные от самых разных регистраторов и предлагать более полные инструменты анализа и проверки данных.

Анализ данных о ветре

Программное обеспечение для анализа данных о ветре помогает пользователю удалять ошибки измерения из наборов данных о ветре и выполнять специализированный статистический анализ.

Имитационное моделирование атмосферы

Методы моделирования ветрового потока рассчитывают карты ветрового потока с очень высоким разрешением, часто с горизонтальным разрешением более 100 м. При моделировании с высоким разрешением, чтобы избежать превышения доступного вычислительного ресурса, типичные области модели, используемые этими мелкомасштабными моделями, имеют несколько километров в горизонтальном направлении и несколько сотен метров в вертикальном направлении. Модели с такой маленькой областью не способны уловить мезомасштабные атмосферные явления, которые часто определяют характер ветра. Чтобы преодолеть это ограничение вложенное моделирование иногда используется.[7]

Моделирование ветрового потока

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, созданный на Национальная лаборатория Рисё в Дании. WAsP использует модель потенциального потока, чтобы предсказать, как ветер обтекает местность на участке. Meteodyn WT и WindStation похожие приложения, которые используют вычислительная гидродинамика (CFD ) расчетов, которые потенциально более точны, особенно для сложных ландшафтов.[8]

Моделирование ветряных электростанций

Программное обеспечение для моделирования ветряных электростанций предназначено для моделирования поведения предлагаемой или существующей ветряной электростанции, что наиболее важно для расчета выработки энергии. Обычно пользователь может вводить данные о ветре, высоту и контурные линии неровностей, характеристики ветряных турбин, фоновые карты и определять объекты, которые представляют ограничения окружающей среды. Эта информация затем используется для проектирования ветряной электростанции, которая максимизирует выработку энергии с учетом ограничений и вопросов строительства. Доступно несколько программных приложений для моделирования ветряных электростанций, в том числе ZephyCFD, Meteodyn WT, Openwind, Windfarmer, WindPRO, WindSim, и Оса.

Моделирование ветряных электростанций среднего масштаба

В былые времена[когда? ] Новое направление развития ветряных электростанций выросло из возросшей потребности в распределенной выработке электроэнергии из местных ветровых ресурсов. Этот тип ветровых проектов в основном реализуется землевладельцами с высокими энергетическими требованиями, такими 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 ступицы турбины составляет от 10 до 50 м. Подходы к моделированию ветра должны включать эти функции, но очень немногие из доступных коммерческих программ моделирования ветра предоставляют такую ​​возможность. По всему миру было создано несколько рабочих групп для изучения этого требования к моделированию, и компании, включая Digital Engineering Ltd (Великобритания), NREL (США), DTU Wind Energy (Дания), находятся на переднем крае разработки в этой области и смотрят на применение для этой цели методов моделирования ветра мезо-CFD.

Рекомендации

  1. ^ https://esmap.org/re_mapping
  2. ^ "Галерея Глобального Атласа 3.0".
  3. ^ Бейли, Брюс H .; Макдональд, Скотт Л .; Бернадетт, Дэниел В .; Маркус, Майкл Дж .; Эльсхольц, Курт В. (апрель 1997 г.). «Справочник по оценке ветровых ресурсов» (PDF). Субподряд № ТАТ-5-15283-01. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Получено 2009-01-28.
  4. ^ http://www.nrel.gov/gis/data_wind.html
  5. ^ http://www.awea.org/faq/wwt_basics.html
  6. ^ Стаффелл, Иэн; Пфеннингер, Стефан (1 ноября 2016 г.). «Использование реанализа с поправкой на смещение для моделирования текущей и будущей выработки ветровой энергии». Энергия. 114: 1224–1239. Дои:10.1016 / j.energy.2016.08.068. открытый доступ
  7. ^ Аль-Яхьяи, султан (январь 2012 г.). «Подход вложенного ансамбля ЧПП для оценки энергии ветра». Возобновляемая энергия. 37 (1): 150–160. Дои:10.1016 / j.renene.2011.06.014.
  8. ^ Перейра, Р. Гедес, Рикардо; Сильва Сантос, Карлос (01.01.2010). «Сравнение оценок ветровых ресурсов WAsP и CFD для« обычного »пользователя». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)