ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

АЭРОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И :ИХ МЕТОДЫ

Проекты использования мощных ВЭС требовали вы­бора точек с наилучшими ветровыми условиями, иссле­дований ветрового режима в перспективный районах и изучения зависимости скоростей ветра от рельефа мест­ности. Поскольку наиболее целесообразной с экономиче­ской стороны могла явиться совместная работа ВЭС с гидростанциями, имеющими многолетнее или сезонное регулирование стока, в ряде стран проводились иссле­дования по сопоставлению режимов скоростей ветра с гидрологическими режимами рек.

В Великобритании Ассоциация по электротехниче­ским исследованиям (ERA) и Управление по электро­снабжению (ВЕА) проводили в течение ряда лет аэро­
логические наблюдения в 82 пунктах страны на север­ных и западных морских побережьях [JI. 22]. Одной из основных задач наблюдений бььли определение возмож­ны* показателей работы ВЭС и установление мето­дов определения величины выработки ветроагрегата по средней скорости ветра в месте установки. Наблюдения показали, что вдоль берегов А-нглии и Ирландии есть местности, где на вершинах холмов средние многолетние скорости ветра достигают 9—10 м/сек и где ВЭУ при расчетной скорости ветра 13,4 м/сек смогут работать при 3 ООО—4 750 ч использования установленной мощности. Путем сравнения величин выработки, подсчитанных по среднечасовым скоростям ветра и по кубу среднемееяч ных и среднегодовых скоростей ветра, определены по­правочные коэффициенты, на которые нужно умножать величины выработки, определенные последним способом. Величины поправок увеличиваются с уменьшением сред­ней скорости ветра, так как при этом куб ее уменьшает­ся в большей степени, чем сумма кубов скоростей ветра малых промежутков времени, составляющих тот же пе­риод. Для годовых периодов, обычно мало отличающих­ся в одном районе по распределению скоростей ветра, величины поправок зависят только от среднегодовой ско­рости ветра и параметров ветроагрегата, т. е. от его рас­четной и начальной скорости ветра. При более коротких (месячных) периодах, при которых может значительно меняться распределение скоростей ветра, величина по­правки может меняться даже при одинаковых средних скоростях ветра 'и параметрах агрегата.

Е. Гольдинг (Е. Golding) приводит два рода коэф­фициентов поправки, которые он называет «коэффици­ентами формы графика» скорости ветра, подсчитанные для Британской метеорологической сети [Л. 22]. Коэф­фициент Ке относится к теоретическому случаю полного использования ветроагрегатом всех скоростей ветра и выражается отношением

Т

(6-1)

Где v — скорость ветра;

Т—длительность всего времени.

Второй коэффициент keu относится к действитель­ному случаю использования ветроагрегатом диапазона рабочих скоростей, начиная с минимальной рабочей ско­рости ветра до расчетной и использования скоростей ветра выше расчетной лишь в пределах расчетной мощ­ности агрегата. Коэффициент выражается отношением:

Т,

Г,) + J vз dt

— . (6-2)-

Где ур —расчетная скорость ветра ветроагрегата;

Г, — число часов скоростей ветра выше максималь­ной рабочей;

Тл — число часов скоростей ветра выше расчетной; Т3 — число часов скоростей ветра выше минималь­ной.

На рис. 6-1 показаны кривые изменения коэффици­ентов поправки keu для годовых периодов при разных

Расчетных и началь­ных скоростях ветра ветроагрегатов. При небольших расчетных скоростях ветра (кри­вая 1) или очень боль­ших среднегодовых скоростях коэффициент поправки становится меньше единицы.

Применение коэф­фициентов поправки Гольдинга может 'быть распространено на дру­гие районы при ана­логичных законах по­вторяемости скоростей ветра.

В США в связи с сооружением ВЭУ D-53 мощностью 1 ООО кет ветровые изыскания проводились в 20 пунк­тах района сооружения ВЭС. Исследования скоростей ветра над холмами, производившиеся в Великобритании и США, показали увеличение скоростей ветра над вер­шинами холмов обтекаемого профиля по сравненйю со скоростями на той же абсолютной высоте над равни­ной. Увеличение скорости ветра происходит благодаря прижиманию нижних слоев воздуха к поверхности хол­ма верхними слоями и зависит от степени крутизны склонов. Наибольшее увеличение скорости происходит^ у поверхности холма. Выше над холмом увеличение ско­рости замедляется, причем тем скорее, чем круче скло­ны холма и чем длиннее его фронт. Это явление соответ­ствует закону аэродинамики о распределении скоростей воздушного потока при обтекании тела, имеющего фор-, му цилиндра или сферы. В результате наблюдений, произведенных на холме Коста-Хэд (Великобритания) высотой 150 ж,-увеличение средней скорости ветра на высоте 20 м над его вершиной по сравнению со ско­ростью на той же горизонтали над равниной оказалось равным порядка 20%. Увеличение скорости становится меньше при малы« скоростях ветра, особенно - в ночные часы. Нарастание скорости ветра над поверхностью хол­ма наблюдалось только до высоты 15 м. Далее до высо­ты 36 м она оставалась постоянной. Кроме того, было установлено, что влияние профиля холма вызывает демпфирование пульсаций скорости ветра над холмом. Несколько иньне результаты были получены в США при наблюдениях на вершинах Зеленых гор, где при измене­нии высоты с 15 до 56 лі скорости ветра, большие 7 м/сек, увеличивались только на 10%.

В условиях горного рельефа Италии итальянские энергетики изучали ветры постоянных направлений в горных долинах, спускающихся к морю и озерам, а также холодные воздушные течения с берега, моря. Постоянство направления этих ветров позволяет в мест­ных условиях проектировать более простые конструкции мощных ветродвигателей без устройства поворота на ветер.

Методика получения исходных данны* для изучения энергоресурсов в Италии имеет также свои особенности. По наблюдениям атмосферного давления и его разности
в соседних пунктах или ежедневным картам изобар, вы­пускаемым Министерством авиации, математическим путем составляются карты скоростей и направлений вет­ра для длительных периодов времени без проведения трудоемких ветровых наблюдений.

В ФРГ Кетцольд (Koetzold) сделал попытку стандар­тизации ветроэнергетических характеристик пунктов наблюдений, имея в виду распространение этого стан­дарта в международной практике. Предлагаемые харак­

Теристики даются в виде кривых продолжительности (рис. 6-2). Они включают кривые: скоростей ветра v, удельной мощности Р0 воздушного потока (на 1 м2 пло­щади, ометаемой ветроколесом), удеЛЬ'НОИ ЭНерГИИ для каждой скорости и суммарной удельной годовой энергии 2Э0. Кривая су о имеет максимум, соответствую­щий оптимальной установленной мощности ветродвига­теля Я0.0ПТ. Автор предлагает формулы для подсчета ветроэнергетических характеристик в данном пункте на­блюдений по среднегодовым скоростям ветра.

Предлагаемый метод составления ветроэнергетиче­ских характеристик при унификации таких характери­стик дает весьма наглядную картину возможностей ис­пользования ветроустановок в данном районе.

Исследования структуры' ветра и действия порывов на ветроколёсо были проведены в Великобритании и

Дании. В Великобритании на площадке ВЗС Коста-Хэд (Шотландия) были зарегистрированы порывы ветра до 56 м/сек и ускорения до 132 м/сек2. Ускорения до 45 м/сек2 (изменение скорости на 4,5 м/сек за 0,1 сек) наблюдались весьма часто [Л. 26].

Для'характеристики различия структуры ветра при одинаковой средней скорости. ветра о„ . вычисленной

Ср

По показаниям в нескольких точках пространства, пред­лагаются четыре критерия порывистости:

1. Критерий среднего отклонения от средней ско­рости

Мер 100

О

Ср

2. Критерий „стандартного" (среднеквадратичного) отклонения

|Ло»|ср100

Уср

3. Критерий истинной величины выработки по срав­нению с определенной ПО V3cp

Кр

4. Критерий средней разницы скоростей по соседним отсчетам

Мер 100

Значения v, заключенные в скобки, означают: сред­нее и среднеквадратичное значения всех отклонений от уср, среднее значение вычисленное для всех точек, и среднюю скорость ветра в соседних точках.

В частности, для четырех точек, расположенных в вертикальной плоскости на окружности диаметром 18 м при уср= 19,5 —22,5 м/сек, было получено:

1ДЫ

100 = 4,6 — 8°/0;

100 = 5— 10»/в;

-^- = 1,033—1,052;

%

ПК 100 = 0,9-L,460/0.

Ср

Исследования, проводившиеся под руководством проф. Ю. Юля (J. Juul) в Дании [Л. 23], привели к еще большей разнице в величинах скоростей ветра в сосед­них точках: при одновременном измерении скоростей ветра в двух - точках, расположенных на горизонтали, перпендикулярной направлению ветра, в 22 ж друг от друга, им получена разница в 30%. Благодаря этому ветроколесо и башня ветродвигателя, кроме ударных на­грузок, могут подвергаться вращающему моменту, вы­зывающему дополнительные механические напряжения величиной до 20'%' 'От суммарных напряжений даже в слу­чае частичной компенсации этого момента моментом от гироскопических сил.

Приборы для измерения скорости ветра и методы из­мерения. Измерительная аппаратура, которая приме­няется за рубежом при ветровых исследованиях, во мно­гом отличается от применяемой в СССР, так же как и методы производства измерений.

Ветровые исследования в Великобритании разделя­лись по методам измерений и роду приборов на три ви­да: 1) наблюдения на всей территории района с по­мощью интегральных анемометров, установленных на высоте 3,3—9 м и снабженных счетчиками или самопи­шущими устройствами; 2) наблюдения в отдельных точ­ках с лучшими ветровыми условиями при двух-трех контактных анемометрах, установленных на разных уровнях до 21 м над землей и снабженных самописцами; 3) наблюдения несколькими различными приборами в местах, выбранных для сооружения опытных ВЭС, по программе, включающей исследование изменения ско­рости ветра с высотой и в зависимости от рельефа мест­ности, а также исследования структуры, ветра.

При ветровых наблюдениях в США измерения про­изводились с помощью трех-четырех анемометров в каждом пункте, установленных на разных уровнях на мачтах высотой до 56 м. При наблюдениях в тяжелых

Зимних условиях применялись специальные анемометры с обогревом чашек.

При ветроэнергетических изысканиях во Франции,, начатых в 1946 г. по программе, утвержденной Нацио­нальным комитетом по ветроэнергетике, измерение ско­ростей ветра производилось в 150 пунктах по террито-

___ рии всей страны. Приборы уста-

Fi |]П навливались большей частью на

' I маяках 'и других готовых опорах

-Jk —! на высоте от 5 до 300 м. В числе

™ пунктов наблюдения была Эйфе-

Лева башня (высота 300 ж). В ка-' честве измерительного прибора во всех пунктах новой сети был принят анемометр специальной конструкции, показывавший не­посредственную величину энер­гии, которая может быть получе­на в данных ветровых условиях с площади поперечного сечения в 1 м2 (см. ниже).

Среди применяемые в разных странах ветроизмерительньих при­боров представляют интерес сле­дующие:

1. Малоинерционный электро­анемометр с лопастями из проб­кового дерева, применяемый ERA (Великобритания) для измерения скорости ветра за очень малые промежутки времени (менее 2 сек). Анемометр имеет генера­тор переменного тока с возбуж­дением от постоянных магнитов. Число перемен тока учитывается электронным счетчи­ком импульсов. По числу перемен за данный промежу­ток времени определяются скорость вращения анемо­метра и соответствующая ей скорость ветра. Этим ане­мометром. мож'но измерять скорости ветра от 0,9 до 67 м/сек.

2. Счетчик энергии ветра, изготовляемый во Фран­ции (рис. 6-3). Прибор состоит из анемометра, имеюще­го четырехлопастное роторное ветроколесо, вращающее

Генератор переменного тока с возбуждением от посто­янных магнитов, и приемника в виде специального счет­чика активной электроэнергии. Постоянные электриче­ской цепи и счетчика подобраны так, что показания по­следнего пропорциональны сумме кубов скорости ветра (2о3). Шкала счетчика отградуирована на величину энергии, 'отнесенной к 1 м2 ялощади, сметаемой ветро- колесом.

Анемометр начинает давать показания при о~ =3 м/сек и рассчитан на прочность при скорости ветра до 50 м/сек. Прибор іпрост в эксплуатации, но не дает распределения энергии по времени.

3. В ФРГ фирмой AEG выпускается регистратор си­стемы Феррари, используемый для работы с контакт­ным анемометром и регистрирующий распределение скоростей ветра. Прибор имеет соленоид, приводящий в действие перфоратор. При замыкании цепи соленоида Перфоратор пробивает отверстия в движущейся бумаж­ной ленте. Перфорированная лента пропускается через счетный механизм прибора, который подсчитывает чис­ло промежутков разной длины между отверстиями, со­ответствующими разным скоростям ветра, и группирует их по частям суток. Таким образом, прибор сразу опре­деляет повторяемость скоростей ветра и их суточный график.

4. Малоинерционный анемометр для измерения скорости порывов (буревой анемометр), разработанный ERA (Великобритания) (рис. 6-4,а), имеет датчик в ви­де перфорированного шара диаметром 37 мм, насажен­ного на конец вертикального стержня. Стержень может отклоняться на некоторый угол от вертикали, поворачи­ваясь вокруг оси, проходящей через середину его длины. Нижний конец стержня прикреплен тонкой проволокой к пружинной диафрагме, которая приподнимается при отклонения ветром стержня с шаром. Движение диа­фрагмы лри изменении скорости ветра передается аноду электронного преобразователя. Выходное напряжение преобразователя, почти прямо пропорциональное угло­вому смещению анода, измеряется малоинерционным регистрирующим вольтметром. Собственное время дей­ствия прибора составляет 0,1 сек. Такой же прибор с горизонтальным стержнем (рис. 6-4,6) служит для за­мера вертикальных составляющих порывов.

5. В Великобритании для исследования в лаборатор­ных условиях влияния профиля холмов на скорость вет­ра используется испытательный стенд, на котором при­меняется электролитический метод определения скоро­сти движения потока. Модель холма, выполненная из изолирующего материала, погружается в текущую

Жидкость (электролит), проводи­мость которой в разные сечениях над поверхностью модели нахо-

Дится в функциональной зависимости от скорости тече­ния. Скорость потока определяется по измеренной силе тока.

Исследования влияния на скорость ветра рельефа местности на моделях в аэродинамической трубе не при­меняются, так как считается невозможным избежать при этом влияния на результаты опыта поджатая воз­душного потока стенками трубы.