Классы безопасности по ГОСТ Р54418.1-2012 (МЭК61400-1)
П.6 Предварительный выбор моделей ВЭУ
На предварительном этапе выбора ВЭУв качестве основных технических требований следует учитывать:
- Единичную номинальную мощность ВЭУ с учетом возможности транспортировки и монтажа;
- Климатическое исполнение в соответствии с ГОСТ Р 51991-2002;
- Класс ВЭУ по классу безопасности в соответствии с ГОСТ Р 54435- 2011 (МЭК 61400-1 или для малых МЭК 61400-2).
Выбор единичной мощности ВЭУ в данном курсовом проекте рассматривается без учета ограничений по транспортировке и монтажу.
При выборе единичной мощности ВЭУ, входящих в состав ОЭС, следует учитывать следующий мировой опыт:
- ВЭУ номинальной мощностью менее 1,0 МВт в настоящее время практически не производятся, использование их для строительства ВЭС является не рентабельным, что объясняется высокой удельной стоимостью этого оборудования. Производство отдельных моделей ВЭУ этого диапазона мощностей сохранено в целях энергоснабжения маломощных потребителей, расположенных на удаленных территориях, а также для использования их в местах, где строительство ВЭУ большей мощности затруднено, в виду сложного рельефа местности или плотной застройки.
- ВЭУ номинальной мощностью от 1,0 до 2,0 МВт достаточно отработаны в течение многих лет, имеют высокий уровень унификации, так как многие элементы их конструкции изготавливаются серийно. На сегодняшний день моделей ВЭУ этого диапазона мощностей изготавливается достаточно большое количество, однако, по сравнению с ВЭУ диапазона единичной мощности от 2,0 до 3,0 МВт, это оборудование имеет более высокую удельную стоимость, строительство ВЭС, при одной и той же мощности, требует организации большего количества площадок, что увеличивает стоимость строительных работ.
- ВЭУ номинальной мощностью более 3,0 МВт имеют относительно высокие массогабаритные показатели отдельных элементов конструкции (секции башен, лопасти, гондола), их транспортировка автомобильным транспортом требует повышенной несущей способности грунтов под дорогами общего пользования. Поэтому ВЭУ этого диапазона мощностей являются, как правило, морского базирования и используются при строительстве ВЭС в море или вблизи береговой лини.
Т.е. исходя из мирового опыта в настоящее время для ВЭУ, входящих в состав ОЭС, рекомендуется рассматривать модели ВЭУ диапазона единичной мощности от 2,0 до 3,0 МВт, которые имеют диаметр рабочего колеса в диапазоне от 80 м до 100 м.
Для выбора моделей ВЭУ используем данные, представленные в таблице П1 или СБД «Вертикальный профиль ветра».
Количество ВЭУ, входящих в состав крупных ВЭС, определяется пропускной способностью ЛЭП «ВЭС - подстанция» по формуле:
. (1)
Далее необходимо проверить возможность размещения выбранных моделей ВЭУ в количестве 
на доступной площади под размещение ВЭС по формуле:
(2)
при условии, что необходимая площадь для одной ВЭУ S1определяется исходя из условия минимума аэродинамических потерь энергии от затенения ВЭУ друг друга, т.е. по формуле:
S1 = (k×D)2,(3)
т.е. ВЭУ на площадке размещены рядами на одинаковом расстоянии k×D друг от друга (k рекомендуется выбирать от 8 до 10).
Варианты ВЭУ, для которых не выполняется условие (2) из дальнейшего рассмотрения исключаются.
Пример 1
Дано: Пропускная способность ЛЭП ВЭС – подстанция 40 МВт; доступная площадь под размещение ВЭС - 13 км2, параметры выбранных моделей ВЭУ для установки на площадке представлены в таблице 1.
Проверить возможность размещения выбранных моделей ВЭУ в количестве 
на доступной площади под размещение ВЭС при условии их размещения рядами на одинаковом расстоянии 10×D.
Таблица 1
| Вар |  , МВт | D, м |  шт | S1, км2 при к=10 |  шт |
| 0,72 | |||||
| 2,5 | 0,81 | ||||
| 0,90 |
Ответ: ВЭУ модели вариант 1 не может быть размещена в количестве на доступной площади под размещение ВЭС.
Согласно ГОСТ Р54418.1-2012 (МЭК61400-1) «Выбор ВЭУ для конкретной площадки размещения на местности должен быть произведен на основе проверки соответствия технических характеристик ВЭУ ветровым режимам и прочим факторам окружающей среды, характерных для данной площадки».
Далее следует для предварительно отобранных вариантов ВЭУ учесть особенности климата на площадке ВЭС и исключить варианты, не подходящие по климатическому исполнению в соответствии с
ГОСТ Р 51991-2002 (см.рис.1). В курсовом проекте рассматриваем только один фактор – по температурному режиму.
Рис.1 –Климатическое исполнение ВЭУ в соответствии с ГОСТ Р5199
Проверка соответствия технических характеристик ВЭУ ветровым режимам производится по классам безопасности ВЭУ, которые описываются скоростью ветра, параметрами, описывающими турбулентность и требованиями надежности.
В соответствии с ГОСТ Р54418.1-2012 (МЭК61400-1) для оценки выделяются три класса ВЭУ, основные параметры которых приведены в таблице 2.
Таблица 2
Рис. 2 – Интенсивность турбулентности для модели НМТ
Интенсивность турбулентности I определяется как отношение измеренного стандартного отклонения скорости ветра σv и соответствующего измеренного значения средней скорости ветра Vm того же ряда данных, обычно с интервалом 10 минут:
. (4)
Значение турбулентности I15 – значение интенсивности турбулентности на высоте оси ветроколеса при средней скорости ветра 15 м/с с 10-минутным осреднением рассчитывается путем прибавления измеренного стандартного отклонения интенсивности турбулентности, умноженного на 1,28 (90% стандартного отклонения турбулентности), к измеренному среднему значению по формуле:
I15= I15m/s+ 1.28 * σI,15m/s. (5)
Как правило, на начальных стадиях проектирования данные по турбулентности на разной высоте отсутствуют, так как эта информация может быть получена после проведения ветромониторинга. Поэтому в рамках выполнения курсового проекта проверка ВЭУ на соответствие класса безопасности по турбулентности не проводится.
Основным параметром при определении класса ВЭУ является расчетная экстремальная скорость Vэкс. Модель ВЭУ с Vэкс по указанной выше классификации должна быть способной работать в условиях, при которых экстремальная скорость ветра при 10-и минутном осреднении за период 50 лет на высоте оси ветроколеса ниже или равна Vэкс.
Для оценки Vэкс для выбранной площадки требуются многолетние данные при 10-и минутном осреднении за период 50 лет. Общее у всех методик то, что для моделирования вероятности экстремальной скорости ветра используется распределение Гамбела. Также должны быть соблюдены требования стандарта EWTS II (European Wind Turbine Standards II-Part 1-SubC.14). В основе методики Гамбелла используется распределение Вейбулла, для оценки экстремальной скорости ветра необходимо оценить параметр g распределения Вейбулла, в зависимости от которого определяется экстремальная скорость (Vэкс) на высоте h:
- при g< 1,77 по формуле:
, (6)
где Vо – среднемноголетняя скорость на высоте h, Vэкс– экстремальная скорость на высоте h, g – коэффициент формы теоретического распределения Вейбулла, T50 – период повторяемости в 50 лет, n=23037 (определено EWTS II-Part 1-SubC.14);
- при g> 1,77 по формуле:
Vэкс= 5×Vо, (7)
так как распределение Гамбелла обычно имеет тенденцию недооценивать экстремальную скорость при более высоких значениях коэффициента g.
Последовательность определения экстремальной скорости ветра на высоте h:
1. По фактической повторяемости скорости ветра на высоте 10 м на площадке ВЭС определить параметры распределения Вейбулла – γ и b;
2. На высотах h (высоты башен предполагаемых ВЭУ) по модели вертикального профиля ветра определить среднемноголетнюю скорость ветра и определить параметр b распределения Вейбулла;
3. На высотах h (высоты башен предполагаемых ВЭУ) определить экстремальную скорость ветра по формуле (6) или (7) в зависимости от значения параметра γ.
Допущение:
Проведенные исследования на кафедре ГВИЭ по данным 12 ветроизмерительных комплексов (ВИК) ДФО не выявили существенного изменения параметра Сv по высоте (в пределах ±5%). Поскольку в данном проекте отсутствуют данные по ВИК, то примем допущение, что параметр γ по высоте не меняется и в расчетах принимается равным значению γ, определенному на высоте 10 м.
Математическое выражение распределения Вейбулла имеет вид:
t B(V.) =DV j . 
× 
× 
, (8)
где DVj –интервал j–ой градации; γ и b – параметры функции распределения Вейбулла, параметр γ (в о.е.) определяет форму рассматриваемой кривой распределения, а параметр b (в м/с) – масштабный параметр скорости.
Один из методов определения параметра γ - по эмпирической формуле Л.Б. Гарцмана и справедливой для 1,0≤γ≤10,0:
= СV–1,069, (9)
где СV, о.е. – коэффициент вариации скорости ветра.
Второй параметр двухпараметрического распределения функции Вейбулла – b (в м/с) может быть определен по формуле:
, (10)
гдезначения Г(Х) в о.е. представлены в таблице 3. В редакторе Excel можно определить значение функции Г(Х) при помощи встроенной функции (см.рис.3).
Таблица 3
| Х | Г(Х) | Х | Г(Х) | Х | Г(Х) | Х | Г(Х) |
| 1,00 | 1,00000 | 1,25 | 0,90640 | 1,50 | 0,88623 | 1,75 | 0,91906 |
| 1,01 | 0,99433 | 1,26 | 0,90440 | 1,51 | 0,88659 | 1,76 | 0,92137 |
| 1,02 | 0,98884 | 1,27 | 0,90250 | 1,52 | 0,88704 | 1,77 | 0,92376 |
| 1,03 | 0,98355 | 1,28 | 0,90072 | 1,53 | 0,88757 | 1,78 | 0,92623 |
| 1,04 | 0,97844 | 1,29 | 0,89904 | 1,54 | 0,88818 | 1,79 | 0,92877 |
| 1,05 | 0,97350 | 1,30 | 0,89747 | 1,55 | 0,88887 | 1,80 | 0,93138 |
| 1,06 | 0,96874 | 1,31 | 0,89600 | 1,56 | 0,88964 | 1,81 | 0,93408 |
| 1,07 | 0,96415 | 1,32 | 0,89464 | 1,57 | 0,89049 | 1,82 | 0,93685 |
| 1,08 | 0,95973 | 1,33 | 0,89338 | 1,58 | 0,89142 | 1,83 | 0,93969 |
| 1,09 | 0,95546 | 1,34 | 0,89222 | 1,59 | 0,89243 | 1,84 | 0,94261 |
| 1,10 | 0,95135 | 1,35 | 0,89115 | 1,60 | 0,89352 | 1,85 | 0,94561 |
| 1,11 | 0,94740 | 1,36 | 0,89018 | 1,61 | 0,89468 | 1,86 | 0,94869 |
| 1,12 | 0,94359 | 1,37 | 0,88931 | 1,62 | 0,89592 | 1,87 | 0,95184 |
| 1,13 | 0,93993 | 1,38 | 0,88854 | 1,63 | 0,89724 | 1,88 | 0,95507 |
| 1,14 | 0,93642 | 1,39 | 0,88785 | 1,64 | 0,89864 | 1,89 | 0,95838 |
| 1,15 | 0,93304 | 1,40 | 0,88726 | 1,65 | 0,90012 | 1,90 | 0,96177 |
| 1,16 | 0,92980 | 1,41 | 0,88676 | 1,66 | 0,90167 | 1,91 | 0,96523 |
| 1,17 | 0,92670 | 1,42 | 0,88636 | 1,67 | 0,90330 | 1,92 | 0,96877 |
| 1,18 | 0,92373 | 1,43 | 0,88604 | 1,68 | 0,90500 | 1,93 | 0,97240 |
| 1,19 | 0,92089 | 1,44 | 0,88581 | 1,69 | 0,90688 | 1,94 | 0,97610 |
| 1,20 | 0,91817 | 1,45 | 0,88566 | 1,70 | 0,90864 | 1,95 | 0,97988 |
| 1,21 | 0,91558 | 1,46 | 0,88560 | 1,71 | 0,91057 | 1,96 | 0,98374 |
| 1,22 | 0,91311 | 1,47 | 0,88563 | 1,72 | 0,91258 | 1,97 | 0,98768 |
| 1,23 | 0,91075 | 1,48 | 0,88575 | 1,73 | 0,91467 | 1,98 | 0,99171 |
| 1,24 | 0,90852 | 1,49 | 0,88595 | 1,74 | 0,91683 | 1,99 | 0,99581 |
| 2,00 | 1,00000 |
Рис.3
Пример 2
На площадке ВЭС известна многолетняя повторяемость скорости ветра t(V) на высоте 10 м (см. табл.4); модель вертикального профиля ветра:
m(V )=0,68× V-0,91.
Определить экстремальную скорость ветра на площадке ВЭС на разной высоте (от 10 м до 110 м с шагом 20 м) и за разные периоды времени Т: 5, 20 и 50 лет.
Решение:
1. Определение параметров распределения Вейбулла по заданной фактической повторяемости скорости ветра t(V) (см.табл. 4).
По заданной дифференциальной повторяемости t(V) определены на высоте 10 м значения: 
=3,9 м/c и Сv=0,66.
Параметр 
= СV–1,069=0,66–1,069=1,57.
Параметр b:
b= 
/Г( 
)=3,9/ Г( 
) =3,9/ Г(1,638)=3,9/0,89049=4,4 м/с.
Таблица 4
Фактическая и теоретическая повторяемости скорости и промежуточные расчетыs tдля каждой j–ой градации при Vmax=44 м/с
 , м/с | t (V), % | tВ(V), % | Djф-В, % | DVjгр,м/с | Мj,  |
| 0,75 | 12,8 | 15,50 | 20,05 | 1,5 | 0,359353 |
| 2,5 | 42,3 | 35,40 | 19,63 | 2,0 | 2,194962 |
| 4,5 | 24,3 | 25,62 | 20,01 | 2,0 | 0,157058 |
| 6,5 | 12,5 | 14,00 | 19,63 | 2,0 | 0,102921 |
| 8,5 | 5,3 | 6,18 | 7,26 | 2,0 | 0,034278 |
| 10,5 | 2,1 | 2,30 | 10,75 | 2,0 | 0,001074 |
| 12,5 | 0,99 | 0,74 | 14,05 | 2,0 | 0,004395 |
| 14,5 | 0,4 | 0,21 | 6,69 | 2,0 | 0,002037 |
| 16,5 | 0,1 | 0,05 | 42,24 | 2,0 | 0,000404 |
| 0,0 | 0,01 | 0,00 | 3,0 | 6,92E-05 | |
| 22,5 | 0,0 | 0,00 | 0,00 | 3,0 | 3,03E-05 |
| 26,5 | 0,0 | 0,00 | 0,00 | 4,0 | 3,66E-11 |
| 31,5 | 0,0 | 0,00 | 0,00 | 5,0 | 2,49E-15 |
| сумма | 2, 85 |
2. Рассчитаем характеристики ветра на разной высоте
Дано: 10м =3,94 м/c, параметры распределения Вейбулла на высоте 10 м: g=1,57; b=4, 4 м/с; модель вертикального профиля ветра: mо( 
)=0,68× 
-0,91.
Найти: на высотах h=10 м, 30 м, 50 м, 70 м, 90 м, 110 м - h; tBh(V); Veh; 
(5, 20, 25) .
Решение:
Для построения распределения Вейбулла произведем пересчет параметра b на разной высоте, предварительно пересчитав среднемноголетние скорости ветра на разные высоты по и определив показатель степенной зависимости mо: mо( =3,94 м/с)=0,68×3,94-0,91=0,2. Например, для высоты 30 м:
м/с.
Результаты расчетов представим в таблице 5. На рисунке 4 представлен вертикальный профиль среднемноголетней скорости ветра.
Таблица 5
Рис.4 – Вертикальный профиль среднемноголетней скорости ветра
Определение экстремальной скорости ветра при g =1,57 производим по формуле (6), результаты расчета представлены в таблице 6.
Таблица 6
Пример 3
Укажите модели ВЭУ из таблицы 7, которые не могут быть установлены в соответствии с климатическим исполнением (УХЛ) и с классом безопасности на рассматриваемой площадке с ветровыми условиями: Сv=0,56; среднемноголетняя скорость на высоте 10 м - 5,4 м/с; модель вертикального профиля ветра: m=13,072×V-2,492; значения турбулентности на различных высотах представлены на рисунке 5.
Таблица 7
Технические параметры выбранных вариантов ВЭУ
| № в базе | Модель | Nуст, кВт | D, м | Класс | Vmin, м/с | VpN, м/с | Vmax, м/с | Тмах, гр.С | Тип регул. | Нб, М |
| АОС15/50 | II | 4,0 | 12,5 | -40 | Stall | |||||
| E-3120 | II-A | 3,0 | 12,0 | -40 | Stall | 30/40 | ||||
| Northwind 100 | II-A | 3,0 | 14,0 | ND | -40 | Stall | ||||
| 29-STALL-200 kW | I | 3,0 | 14,0 | -40 | Stall | 30/40 | ||||
| 200/30 | II-A | 4,0 | 14,0 | -20 | Stall | 30-50 | ||||
| A27/225 | II | 3,5 | 13,5 | -20 | Pitch | |||||
| 29-STALL-225 kW | I | 3,0 | 14,0 | -40 | Stall | 30/40 | ||||
| 29-225 | I-A | 4,0 | 15,0 | -20 | Stall | 30/40/50 | ||||
| I-29/250 | ND | 3,5 | 15,5 | -20 | Stall | |||||
| 250/28 | II-A | 4,0 | 14,5 | -20 | Stall |
Рис.5 - Значения турбулентности на различных высотах
С учетом климатических условий на рассматриваемой площадке были оставлены только 5 моделей ВЭУ УХЛ исполнения с разной высотой башни, т.е. были исключены модели под номерами: 5, 6, 8, 9, 10, которые в таблице 7 выделены серой заливкой.
Интенсивность турбулентности при скорости 15 м/с на высотах более 20 м ниже, чем для класса С (см.рис.5), т.е. ВЭУ всех классов по интенсивности турбулентности проходят.
Для оценки экстремальной скорости ветра на высоте оси ветроколеса был произведен расчет параметра распределения Вейбулла по формуле Гарцмана: = 0,56–1,069=1,859. Посколькуg > 1,77, то Vэкс = 5×Vо. Если бы при данных ветровых условиях оценку экстремальной скорости ветра производили по распределению Гамбелла, то получили существенное занижение экстремальной скорости ветра, поскольку для этого случая 
.
Расчет среднемноголетней скорости ветра на высоту ВК (30 м и 40 м) производим по степенной зависимости вертикального профиля ветра, определив показатель степени по заданной модели
m=13,072×V-2,492=13,072×5,4-2,492=0,196. Среднемноголетние и экстремальные скорости ветра на разной высоте представлены в таблице 8.
Таблица 8
Таблица 9
Рис.6
Пример 4
Дано: Параметры предварительно выбранных моделей ВЭУ и их годовые выработки в ветровых условиях площадки на высоте башни ВЭУ в таблице 10.
Таблица 10
| № | Модель | Производитель |  | Dвк, | Нб |  при Нб= 60 м, МВт.ч | при Нб= 70 м, МВт.ч |
| кВт | м | м | |||||
| E48/800 | Enercon | 60/70 | |||||
| E53/800 | Enercon | ||||||
| H56-850 | HZ Windpower | ||||||
| G52-850 | Made | 60/70 | |||||
| G58-850 | Made | ||||||
| V52/850 | Vestas | 60/70 | |||||
| 52-900 | AWE | ||||||
| 54-900 | AWE | ||||||
| E44/900 | Enercon | 60/70 | |||||
| Directwind 52/900 | EWT |
Определите наиболее энергоэффективные модели ВЭУ из таблицы, для которых определите число часов использования установленной мощности ВЭУ.
Расчет:
Выбор ВЭУ по критериям энергоэффективности производим для вариантов ВЭУ с одинаковой высотой башни – 60 м и 70 м. Расчет основных показателей энергоэффективности моделей ВЭУ для всех вариантов высот башен произведен по формулам (1) и (2), результаты расчета представлены в таблице 11.
Анализ результатов расчетов выявил:
1. Наибольшие показатели энергоэффективности среди моделей ВЭУ с высотой башни 60 м имеет модель V52/850 (Vestas). Число часов установленной мощности определим по формуле (14): 
ч.
Таблица 11
П.6 Предварительный выбор моделей ВЭУ
На предварительном этапе выбора ВЭУв качестве основных технических требований следует учитывать:
- Единичную номинальную мощность ВЭУ с учетом возможности транспортировки и монтажа;
- Климатическое исполнение в соответствии с ГОСТ Р 51991-2002;
- Класс ВЭУ по классу безопасности в соответствии с ГОСТ Р 54435- 2011 (МЭК 61400-1 или для малых МЭК 61400-2).
Выбор единичной мощности ВЭУ в данном курсовом проекте рассматривается без учета ограничений по транспортировке и монтажу.
При выборе единичной мощности ВЭУ, входящих в состав ОЭС, следует учитывать следующий мировой опыт:
- ВЭУ номинальной мощностью менее 1,0 МВт в настоящее время практически не производятся, использование их для строительства ВЭС является не рентабельным, что объясняется высокой удельной стоимостью этого оборудования. Производство отдельных моделей ВЭУ этого диапазона мощностей сохранено в целях энергоснабжения маломощных потребителей, расположенных на удаленных территориях, а также для использования их в местах, где строительство ВЭУ большей мощности затруднено, в виду сложного рельефа местности или плотной застройки.
- ВЭУ номинальной мощностью от 1,0 до 2,0 МВт достаточно отработаны в течение многих лет, имеют высокий уровень унификации, так как многие элементы их конструкции изготавливаются серийно. На сегодняшний день моделей ВЭУ этого диапазона мощностей изготавливается достаточно большое количество, однако, по сравнению с ВЭУ диапазона единичной мощности от 2,0 до 3,0 МВт, это оборудование имеет более высокую удельную стоимость, строительство ВЭС, при одной и той же мощности, требует организации большего количества площадок, что увеличивает стоимость строительных работ.
- ВЭУ номинальной мощностью более 3,0 МВт имеют относительно высокие массогабаритные показатели отдельных элементов конструкции (секции башен, лопасти, гондола), их транспортировка автомобильным транспортом требует повышенной несущей способности грунтов под дорогами общего пользования. Поэтому ВЭУ этого диапазона мощностей являются, как правило, морского базирования и используются при строительстве ВЭС в море или вблизи береговой лини.
Т.е. исходя из мирового опыта в настоящее время для ВЭУ, входящих в состав ОЭС, рекомендуется рассматривать модели ВЭУ диапазона единичной мощности от 2,0 до 3,0 МВт, которые имеют диаметр рабочего колеса в диапазоне от 80 м до 100 м.
Для выбора моделей ВЭУ используем данные, представленные в таблице П1 или СБД «Вертикальный профиль ветра».
Количество ВЭУ, входящих в состав крупных ВЭС, определяется пропускной способностью ЛЭП «ВЭС - подстанция» по формуле:
. (1)
Далее необходимо проверить возможность размещения выбранных моделей ВЭУ в количестве на доступной площади под размещение ВЭС по формуле:
(2)
при условии, что необходимая площадь для одной ВЭУ S1определяется исходя из условия минимума аэродинамических потерь энергии от затенения ВЭУ друг друга, т.е. по формуле:
S1 = (k×D)2,(3)
т.е. ВЭУ на площадке размещены рядами на одинаковом расстоянии k×D друг от друга (k рекомендуется выбирать от 8 до 10).
Варианты ВЭУ, для которых не выполняется условие (2) из дальнейшего рассмотрения исключаются.
Пример 1
Дано: Пропускная способность ЛЭП ВЭС – подстанция 40 МВт; доступная площадь под размещение ВЭС - 13 км2, параметры выбранных моделей ВЭУ для установки на площадке представлены в таблице 1.
Проверить возможность размещения выбранных моделей ВЭУ в количестве на доступной площади под размещение ВЭС при условии их размещения рядами на одинаковом расстоянии 10×D.
Таблица 1
| Вар | , МВт | D, м | шт | S1, км2 при к=10 | шт |
| 0,72 | |||||
| 2,5 | 0,81 | ||||
| 0,90 |
Ответ: ВЭУ модели вариант 1 не может быть размещена в количестве на доступной площади под размещение ВЭС.
Согласно ГОСТ Р54418.1-2012 (МЭК61400-1) «Выбор ВЭУ для конкретной площадки размещения на местности должен быть произведен на основе проверки соответствия технических характеристик ВЭУ ветровым режимам и прочим факторам окружающей среды, характерных для данной площадки».
Далее следует для предварительно отобранных вариантов ВЭУ учесть особенности климата на площадке ВЭС и исключить варианты, не подходящие по климатическому исполнению в соответствии с
ГОСТ Р 51991-2002 (см.рис.1). В курсовом проекте рассматриваем только один фактор – по температурному режиму.
Рис.1 –Климатическое исполнение ВЭУ в соответствии с ГОСТ Р5199
Проверка соответствия технических характеристик ВЭУ ветровым режимам производится по классам безопасности ВЭУ, которые описываются скоростью ветра, параметрами, описывающими турбулентность и требованиями надежности.
В соответствии с ГОСТ Р54418.1-2012 (МЭК61400-1) для оценки выделяются три класса ВЭУ, основные параметры которых приведены в таблице 2.
Таблица 2
Классы безопасности по ГОСТ Р54418.1-2012 (МЭК61400-1)
| Класс ВЭУ | I | II | III | S | |
| Vэкс | (м/с) | 42,5 | 37,5 | Расчетные параметры назначаются проектировщиками | |
| A | Iref | 0,16 | |||
| B | Iref | 0,14 | |||
| C | Iref | 0,12 | |||
| Примечания к таблице: Значения параметров приведены для оси ветроколеса. Vэкс – расчетная экстремальная скорость ветра при 10-минутном осреднении, I, II, III – нормальные классы ВЭУ, S – специальный класс, A – подкласс ВЭУ, рассчитанный на повышенную турбулентность; B – подкласс ВЭУ, рассчитанный на умеренную турбулентность; C – подкласс ВЭУ, рассчитанный на низкую турбулентность; Iref – ожидаемое значение интенсивности турбулентности воздушного потока при средней скорости ветра 15 м/с, определенной на 10-ти минутном интервале. |
Класс безопасности турбин на высоте оси ветроколеса характеризуется экстремальной скоростью порывов ветра за 50-летний период наблюдений, а подкласс ВЭУ - турбулентностью.
Интенсивность турбулентности ветра измеряется, как правило, в течение 10 минут, она влияет на усталостные нагрузки на ВЭУ, т.е. на его надежность. Модели нормальной турбулентности (МНТ) для трех подклассов ВЭУ приведены на рисунке 2.
 , м/с |
 |
Рис. 2 – Интенсивность турбулентности для модели НМТ
Интенсивность турбулентности I определяется как отношение измеренного стандартного отклонения скорости ветра σv и соответствующего измеренного значения средней скорости ветра Vm того же ряда данных, обычно с интервалом 10 минут:
. (4)
Значение турбулентности I15 – значение интенсивности турбулентности на высоте оси ветроколеса при средней скорости ветра 15 м/с с 10-минутным осреднением рассчитывается путем прибавления измеренного стандартного отклонения интенсивности турбулентности, умноженного на 1,28 (90% стандартного отклонения турбулентности), к измеренному среднему значению по формуле:
I15= I15m/s+ 1.28 * σI,15m/s. (5)
Как правило, на начальных стадиях проектирования данные по турбулентности на разной высоте отсутствуют, так как эта информация может быть получена после проведения ветромониторинга. Поэтому в рамках выполнения курсового проекта проверка ВЭУ на соответствие класса безопасности по турбулентности не проводится.
Основным параметром при определении класса ВЭУ является расчетная экстремальная скорость Vэкс. Модель ВЭУ с Vэкс по указанной выше классификации должна быть способной работать в условиях, при которых экстремальная скорость ветра при 10-и минутном осреднении за период 50 лет на высоте оси ветроколеса ниже или равна Vэкс.
Для оценки Vэкс для выбранной площадки требуются многолетние данные при 10-и минутном осреднении за период 50 лет. Общее у всех методик то, что для моделирования вероятности экстремальной скорости ветра используется распределение Гамбела. Также должны быть соблюдены требования стандарта EWTS II (European Wind Turbine Standards II-Part 1-SubC.14). В основе методики Гамбелла используется распределение Вейбулла, для оценки экстремальной скорости ветра необходимо оценить параметр g распределения Вейбулла, в зависимости от которого определяется экстремальная скорость (Vэкс) на высоте h:
- при g< 1,77 по формуле:
, (6)
где Vо – среднемноголетняя скорость на высоте h, Vэкс– экстремальная скорость на высоте h, g – коэффициент формы теоретического распределения Вейбулла, T50 – период повторяемости в 50 лет, n=23037 (определено EWTS II-Part 1-SubC.14);
- при g> 1,77 по формуле:
Vэкс= 5×Vо, (7)
так как распределение Гамбелла обычно имеет тенденцию недооценивать экстремальную скорость при более высоких значениях коэффициента g.
Последовательность определения экстремальной скорости ветра на высоте h:
1. По фактической повторяемости скорости ветра на высоте 10 м на площадке ВЭС определить параметры распределения Вейбулла – γ и b;
2. На высотах h (высоты башен предполагаемых ВЭУ) по модели вертикального профиля ветра определить среднемноголетнюю скорость ветра и определить параметр b распределения Вейбулла;
3. На высотах h (высоты башен предполагаемых ВЭУ) определить экстремальную скорость ветра по формуле (6) или (7) в зависимости от значения параметра γ.
Допущение:
Проведенные исследования на кафедре ГВИЭ по данным 12 ветроизмерительных комплексов (ВИК) ДФО не выявили существенного изменения параметра Сv по высоте (в пределах ±5%). Поскольку в данном проекте отсутствуют данные по ВИК, то примем допущение, что параметр γ по высоте не меняется и в расчетах принимается равным значению γ, определенному на высоте 10 м.
Математическое выражение распределения Вейбулла имеет вид:
t B(V.) =DV j . × × , (8)
где DVj –интервал j–ой градации; γ и b – параметры функции распределения Вейбулла, параметр γ (в о.е.) определяет форму рассматриваемой кривой распределения, а параметр b (в м/с) – масштабный параметр скорости.
Один из методов определения параметра γ - по эмпирической формуле Л.Б. Гарцмана и справедливой для 1,0≤γ≤10,0:
= СV–1,069, (9)
где СV, о.е. – коэффициент вариации скорости ветра.
Второй параметр двухпараметрического распределения функции Вейбулла – b (в м/с) может быть определен по формуле:
, (10)
гдезначения Г(Х) в о.е. представлены в таблице 3. В редакторе Excel можно определить значение функции Г(Х) при помощи встроенной функции (см.рис.3).
Таблица 3
| Х | Г(Х) | Х | Г(Х) | Х | Г(Х) | Х | Г(Х) |
| 1,00 | 1,00000 | 1,25 | 0,90640 | 1,50 | 0,88623 | 1,75 | 0,91906 |
| 1,01 | 0,99433 | 1,26 | 0,90440 | 1,51 | 0,88659 | 1,76 | 0,92137 |
| 1,02 | 0,98884 | 1,27 | 0,90250 | 1,52 | 0,88704 | 1,77 | 0,92376 |
| 1,03 | 0,98355 | 1,28 | 0,90072 | 1,53 | 0,88757 | 1,78 | 0,92623 |
| 1,04 | 0,97844 | 1,29 | 0,89904 | 1,54 | 0,88818 | 1,79 | 0,92877 |
| 1,05 | 0,97350 | 1,30 | 0,89747 | 1,55 | 0,88887 | 1,80 | 0,93138 |
| 1,06 | 0,96874 | 1,31 | 0,89600 | 1,56 | 0,88964 | 1,81 | 0,93408 |
| 1,07 | 0,96415 | 1,32 | 0,89464 | 1,57 | 0,89049 | 1,82 | 0,93685 |
| 1,08 | 0,95973 | 1,33 | 0,89338 | 1,58 | 0,89142 | 1,83 | 0,93969 |
| 1,09 | 0,95546 | 1,34 | 0,89222 | 1,59 | 0,89243 | 1,84 | 0,94261 |
| 1,10 | 0,95135 | 1,35 | 0,89115 | 1,60 | 0,89352 | 1,85 | 0,94561 |
| 1,11 | 0,94740 | 1,36 | 0,89018 | 1,61 | 0,89468 | 1,86 | 0,94869 |
| 1,12 | 0,94359 | 1,37 | 0,88931 | 1,62 | 0,89592 | 1,87 | 0,95184 |
| 1,13 | 0,93993 | 1,38 | 0,88854 | 1,63 | 0,89724 | 1,88 | 0,95507 |
| 1,14 | 0,93642 | 1,39 | 0,88785 | 1,64 | 0,89864 | 1,89 | 0,95838 |
| 1,15 | 0,93304 < |