Calculation of wind turbine generator power characteristics using Windpowerlib software module

Full Text

Введение Доля нетрадиционных (альтернативных), особенно возобновляемых, источников электроэнергии в структуре мировой электрогенерации возрастает с каждым годом, что связано с исчерпанием и удорожанием таких ископаемых топлив как нефть, газ, уголь. Особенно это характерно для регионов, не располагающих традиционными топливными ресурсами, а также для некоторых конечных автономных потребителей. Такими потребителями, к примеру, могут являться производители сельскохозяйственной продукции, фермерские хозяйства, военные части, посёлки, расположенные «вдали от цивилизации», на большом расстоянии от крупных электростанций и электрических сетей. Следует отметить, что конкурентоспособность установок альтернативной энергетики, так же как и их суммарная установленная мощность, с каждым годом возрастают, благодаря улучшению их показателей, в частности уменьшению удельной стоимости энергии и повышению коэффициента полезного действия (КПД). К наиболее широко применяемым альтернативным источникам электроэнергии относятся солнечные, ветряные, геотермальные электростанции, микро-ГЭС и установки, работающие на таких видах топлива как дрова, торф, биогаз, иловые осадки и др. [1]. Для оптимального выбора конкретной электрической энергоустановки необходимо произвести сравнительный экономический анализ типов и моделей установок, представленных на рынке, их технических характеристик, условий эксплуатации и эффективности работы в данном регионе. Ещё одним из факторов сравнения энергоисточников является их экологичность - минимизация вреда, причиняемого окружающей среде при эксплуатации. Объектом данного исследования является один из видов установок альтернативной энергетики - ветряные генераторы. Их работа возможна как в составе энергосистемы, так и в качестве автономного источника электроэнергии. Возводятся также площадки, с размещением нескольких (в некоторых случаях более 100) ветрогенераторов, работающих на общую электрическую сеть, называемые wind farm - «ветряные фермы». Наибольшая установленная мощность ветрогенераторов размещена в Соединенных Штатах, в Германии, Дании, Нидерландах, Великобритании [2]. Всего в мире насчитывается более 20 тысяч мощных ветроэлектростанций. Преимуществами ветряных электростанций перед другими возобновляемыми энергоисточниками являются [3]: 1) использование неисчерпаемого и бесплатного источника энергии; 2) отсутствие отходов и выбросов вредных газов; 3) быстрота монтажа и простота обслуживания; 4) отсутствие ярко выраженной зависимости вырабатываемой мощности от сезона; 5) возможность обеспечения полной независимости от других источников электроэнергии при использовании аккумуляторов и инверторов напряжения; 6) длительный срок службы (обычно не менее 20-30 лет). Целесообразность применения ветряной установки в рассматриваемом регионе в-основном определяется средней скоростью ветра в течение года. В первом приближении, если средняя скорость ветра превышает 4 м/с, то установка ветрогенератора считается экономически целесообразной, а при скорости 7-10 м/с обычно достигается максимальный КПД. Особенно эффективна работа ветрогенераторов в открытом море и в прибрежных районах, отличающихся особенно высокой скоростью ветра [4]. Желательно размещать ветряное колесо на как можно большей высоте, т.к. скорость ветра с увеличением высоты также возрастает. Скорость ветра выше 25 м/с может привести к ускоренному износу и выходу из строя узлов установки, хотя современные ветряные турбогенераторы кратковременно выдерживают без разрушения нагрузки от ветра, дующего со скоростью до 70 м/с. Основными недостатками ветряных электрогенераторов являются длительный срок окупаемости и очень высокая неравномерность выработки энергии, связанная с постоянным изменением скорости и направления ветра. Теоретическая мощность ветроустановки пропорциональна кубу скорости ветра [5], однако в реальных условиях, начиная с некоторого значения скорости ветра, мощность не возрастает из-за стремительно увеличивающихся потерь энергии. Эти потери возникают из-за нерасчетных режимов обтекания лопастей, спрофилированных для работы на номинальном режиме; то есть лопасти имеют фиксированные аэродинамические формы, которые могут обеспечивать максимальный КПД только при определённом направлении и скорости ветра [6]. Целью данной работы является разработка программы, позволяющей рассчитать и представить в виде графиков характеристики мощности ветрогенератора для заданного промежутка времени. Необходимо рассчитать изменение мощности по часовым промежуткам времени и среднюю вырабатываемую мощность в течение года. Эти данные необходимы для проведения технико-экономического обоснования использования исследуемой ветроустановки в заданном регионе. Методы и средства проведения исследований Традиционные средства расчёта ветрогенераторов характеризуются следующими недостатками: реализация точных методов (с использованием трёхмерного моделирования, моделей течения и пр.) является трудоёмкой и дорогой для конечного пользователя, а оценочные расчёты (с использованием приближённых формул) дают низкую точность результатов. Однако, в последние годы появились доступные программные средства, позволяющие реализовать совершенные и точные методы расчёта энергоустановок достаточно простыми способами. Одно из наиболее подходящих с точки зрения авторов программных средств применяется в данном исследовании и кратко описывается в статье. Программа расчёта характеристик ветряного турбогенератора реализована с использованием языка Python, отличающегося универсальностью и удобством применения для создания научных приложений, и специальной, свободно распространяемой (freeware), библиотеки для работы с характеристиками энергетических ветроустановок Windpowerlib [7], также созданной на языке Python. Данная библиотека ранее являлась частью модуля Feedinlib [8], объединяющего функции расчёта солнечных и ветряных электростанций, но затем была выделена в качестве отдельного модуля для расчёта только ветрогенераторов, т.к. появилась потребность в более подробном изучении и развитии именно этого направления электрогенерации. Разработанная программа состоит из четырёх функциональных блоков: 1) импорт данных о погоде по заданным временным отсчётам; 2) инициализация (задание характеристик) ветряной турбины; 3) расчёт изменения мощности турбогенератора с течением времени с использованием функций модуля Windpowerlib; 4) визуализация рассчитанной зависимости с помощью библиотеки графического вывода Matplotlib. Кроме библиотеки Windpowerlib в начале программы загружаются следующие необходимые для осуществления вспомогательных операций модули Python: Os для обработки системных событий, Pandas для работы с базой погодных данных, Requests для осуществления http-запросов к данным из сети интернет, Logging для записи сообщений в log-файл при выполнении программы с целью её отладки. Импорт погодных данных осуществляется из базы данных, представленной в виде файла формата csv, размещаемого в директории с программой. Файл содержит почасовые данные за все дни 2010 г. о следующих параметрах: дата и время, атмосферное давление в Па, шероховатость местности [9] в м, температура в К и скорость ветра в м/с на двух разных высотах (таким образом задаётся так называемый профиль скорости ветра, необходимый для вычисления скорости ветра на высоте размещения ветряных колёс (ветряков). Начальная часть файла данных приведена в табл. 1. Данные по каждому временному отсчёту представлены в отдельных строках и разделены запятыми. Таблица 1 Часть файла погодных данных для расчёта ветрогенератора Table 1. Part of the weather data file for calculating the wind turbine variable_name,pressure,temperature,wind_speed,roughness_length,temperature,wind_speed 2010-01-01 00:00:00+01:00,98405.7,267.6,5.32697,0.15,267.57,7.80697 2010-01-01 01:00:00+01:00,98382.7,267.6,5.46199,0.15,267.55,7.86199 2010-01-01 02:00:00+01:00,98362.9,267.61,5.67899,0.15,267.54,8.59899 2010-01-01 03:00:00+01:00,98340.9,267.63,5.68466,0.15,267.56,7.89466 2010-01-01 04:00:00+01:00,98336.8,267.63,5.38084,0.15,267.61,7.57084 2010-01-01 05:00:00+01:00,98334.2,267.61,5.28286,0.15,267.55,7.51286 В случае, если в директории с программой нет файла с погодными данными, данный файл скачивается из сети интернет по указанному пути и сохраняется на диск для дальнейшей работы с ним. Для инициализации турбины необходимо задать её номинальную мощность, высоту расположения ветряка, диаметр ротора и характеристику зависимости коэффициента мощности (КПД) от скорости ветра. Ввод исходных данных для расчёта ветряных турбин может выполняться одним из трёх способов: 1) загружаться из открытой базы данных по турбинам OpenEnergy Database (oedb), которая поставляется вместе с модулем Windpowerlib; 2) вводиться непосредственно в виде параметров команд программы; 3) загружаться в виде пользовательского файла данных. Для проведения расчёта примера ветряной турбоустановки в данном исследовании был использован первый подход - загрузка из базы OpenEnergy Database характеристики ветрогенератора Siemens SWT 3.6-120. Данный ветрогенератор выбран потому, что для него на сайте компании-производителя приведёны графики коэффициентов мощности и собственно мощности в зависимости от скорости ветра. Также, эта установка является одной из самых популярных в мире, для использования как в море, так и на суше. Ветроэнергетическая установка SWT-3.6-120 [10] производится компанией Siemens Wind Power A/S из Дании. Номинальная мощность рассматриваемой установки 3,6 МВт, максимальный диаметр ветроколеса 120 м, высота его установки 90 м. Энергетические характеристики данного ветрогенератора приведены на рис. 1. Коэффициент мощности показывает какая часть теоретической мощности ветрогенератора используется на совершение полезной работы (остальное уходит на потери мощности от трения, от неоптимального угла обтекания лопастей воздухом, потери в генераторе, контроллерах, проводах и др.). Таким образом, полезной работой является энергия, передаваемая ветроколесу, преобразуемая генератором в электрическую мощность и поставляемая в энергосистему [11]. Коэффициент мощности зависит от типоразмера ветроколеса и скорости ветра. Из кривой коэффициента мощности для установки SWT-3.6-120 (рис. 1) видно, что ветряк начинает вращаться при скорости ветра 3 м/с (скорость включения), далее коэффициент мощности растёт и при скорости ветра 6-10 м/с (номинальная скорость) достигает максимального значения (0,47-0,49), далее он начинает резко уменьшается. Именно для номинальной скорости ветра спрофилированы лопасти ветряка и она должна соответствовать преобладающей скорости ветра в месте установки ветрогенератора. Рис. 1. Зависимость коэффициента мощности (cp) и мощности, кВт (power - кривая с заливкой под ней) от скорости ветра, м/с, для ветрогенератора Siemens SWT 3.6-120. Fig. 1. Dependence of the power factor (cp) and power, kW (power - the curve with filling under it) on the wind speed, m/s, for the Siemens SWT 3.6-120 wind generator Из рис. 1 видно, что начиная со скорости ветра 12 м/с мощность ветрогенератора становится максимальной и далее не увеличивается. Также не изменяется и скорость вращения ротора. Это достигается за счёт системы автоматического управления ветряка (с использованием различных датчиков), а также с помощью системы регулирования генератора и того факта, что генератор не может выдать мощность выше максимально достижимой для него. Указанные выше характеристики турбогенератора используются в качестве аргументов функции создания расчётной модели WindTurbine. Имея характеристики мощности и зная погодные условия для каждого промежутка времени, можно рассчитать соответствующую им выходную мощность турбогенератора. Для этого используется функция ModelChain библиотеки Windpowerlib. Для её использования необходимо также выбрать модель преобразования скорости ветра в показатели мощности из двух вариантов - логарифмическая или модель Хеллмана [12], модель плотности (зависимость плотности от высоты) - барометрическая или модель идеального газа, температурная модель (зависимость температуры от высоты) - линейный градиент или интерполяционная и другие параметры модельной цепи. Далее с помощью описанных функций производится расчёт ветрогенератора и с использованием возможностей библиотеки Matplotlib в графическом виде выводится зависимость мощности установки в Вт от времени. Данная библиотека позволяет получать графический материал, качественно оформленный согласно требованиям, принятым в международном научном сообществе. Результаты исследований и их обсуждение Приведённые выше исходные данные (погодные данные, типоразмер установки, высота размещения и диаметр ветроколеса) были использованы для расчёта примера и демонстрации возможностей созданной программы. Кривая коэффициента мощности cp подгружалась автоматически из базы данных OpenEnergy Database. Она приведена на рис. 2 и имеет высокую степень соответствия с кривой, взятой с сайта фирмы-производителя (рис. 1). По описанному алгоритму с помощью разработанной программы была вычислена и выведена в виде графика зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра, изображённая на рис. 3. Из рисунка видно, что вычисленная кривая мощности соответствует кривой, взятой с сайта производителя ветрогенератора (рис. 1), что доказывает высокую точность применяемого для расчёта метода. На следующем этапе вычислялась мощность установки по заданным в файле погодных данных временным промежуткам, которая с помощью команд библиотеки Matplotlib была представлена в виде графика (рис. 4). Рис. 2. Кривая мощности ветрогенератора Siemens SWT 3.6-120, полученная из базы данных OpenEnergy Database Fig. 2. Power curve of a Siemens SWT 3.6-120 wind turbine obtained from the OpenEnergy Database Рис. 3. Кривая мощности ветрогенератора Siemens SWT 3.6-120, полученная с помощью программы Fig. 3. Power curve of wind turbine Siemens SWT 3.6-120, obtained using the program Рис. 4. Изменение мощности ветрогенератора по временным промежуткам. Fig. 4. Change in the power of the wind generator over time intervals Из рисунка видно, что кривая изменения мощности имеет крайне неравномерный характер, что является одним из главных недостатков ветряных генераторов. В верхней части графика выводится средняя за год вырабатываемая мощность установки. Она составила 1,063 МВт, то есть в 3,4 раза меньше, чем номинальная мощность. Заключение Таким образом, для достижения целей данной работы были решены следующие задачи: · произведён краткий обзор альтернативных источников электрической энергии и в частности достоинств и недостатков энергетических ветряных установок; · выбраны и описаны программные средства для реализации расчёта характеристик ветряных турбогенераторов; · разработана программа для определения коэффициентов мощности и выходной мощности заданного (инициализированного) ветрогенератора в зависимости от скорости ветра и других условий; · в качестве примера произведён расчёт мощностных характеристик установки Siemens SWT 3.6-120, показавший высокую степень соответствия результатов эксплуатационным данным, приведённым на сайте фирмы-производителя; · произведён расчёт изменения мощности ветрогенератора Siemens SWT 3.6-120 в течение года, а также его среднегодовая мощность, которая оказалась в несколько раз ниже номинальной, следовательно доказана низкая целесообразность применения данной установки в регионе с заданными в условии погодными условиями. Проведённая работа доказывает удобство использования языка Python для создания программ расчёта и исследования характеристик установок альтернативной энергетики. В рассматриваемом случае задача загрузки данных и расчёта сильно упрощается (не в ущерб достигаемой точности) с помощью применения специального модуля Windpowerlib. Ранее преимущества использования библиотек Python было доказано авторами при рассмотрении других типов энергетического оборудования [13, 14]. Так как созданная в ходе данного исследования программа позволяет для заданных погодных условий в рассматриваемой местности рассчитать изменение мощности и среднегодовую мощность ветрогенератора, то с её помощью можно обосновать выбор наиболее подходящей для конечного потребителя модели энергоустановки. Программа позволяет определять как характеристики уже используемых установок, так и вновь проектируемых. Достигнутая автоматизация при её внедрении приводит к уменьшению трудозатрат на этапе проектирования ветряных турбинных установок, а также к повышению их надёжности и эффективности работы. Разработанная программа может использоваться при изучении основ расчёта турбинных двигателей студентами вузов, персоналом, проектирующим и обслуживающим ветряные электростанции и как наглядная иллюстрация применения языка Python для проведения расчётов в отрасли энергетики и турбиностроения. В качестве дальнейшего развития описанных исследований по приведённой тематике планируется с помощью разработанного программного продукта произвести сравнительный технико-экономический анализ целесообразности применения различных моделей ветряных турбоустановок в различных регионах России.

About the authors

V. Y. Ilichev

Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University

Email: patrol8@yandex.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Kaluga

D. V. Shevelev

Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: patrol8@yandex.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Kaluga

References

Supplementary files