Инвестиционно проучване и проектиране на ветроенергийни паркове

Ефективното преобразуване на вятърната енергия в електрическа чрез самостоятелно работещи или обединени във вятърен парк турбини, задължително изисква професионално проучване и проектиране. Всяка малка неточност както при ветроенергийния одит, така и при избора на подходящи турбини, може да доведе до неправилна оценка на годишната електропроизводителност и непредвидени загуби в процеса на експлоатация.

Етапът на инвестиционно проучване включва предварителни проучвания, икономическа оценка на инвестиционните намерения и задание за изработване на проект. Предварителните проучвания обхващат изследвания за режима на вятъра в посочената площадка за строителство, представени като статистическо разпределение на скоростта на вятъра по време и посока, плътността на въздуха и енергийния потенциал. Вземат се под внимание и статистически данни за времето на безветрие на площадката; данни за измервания за предполагаемата височина на установяване на пропелера на генератора, както и оценка на потенциала на вятъра за проектната височина на установяване на пропелера.

Според мнението на специалисти от бранша, при проектирането на вятърни електроцентрали е нецелесъобразно да се разчита на ветровите данни от националната метеoрологична система. Съответните й измервателни станции са недостатъчен брой, измерванията не обхващат напълно ветровите диапазони и данните най-често са неточни и могат да бъдат заблуждаващи. Ветроизмерванията за целите на прогнозиране на времето са много по-различни от тези, необходими за ветроенергетиката, където се анализират ветроенергийните характеристики на ветровия поток в пряка връзка с избора на ветроенергийна система. Друга особеност на метеорологичната ветрова статистика е, че всички данни се отнасят за ветровото движение в точки с височина 10 метра над терена, докато височината на съвременните мегаватови турбини достига до 70 и повече метра. Освен това, в българските географско-теренни условия е сравнително трудно да се състави добър ветроатлас поради разнообразния релеф, влиянието на морето, речните долини и редица други климатични фактори, допълват експертите. Ландшафтът на терена на топографския профил на местността в непосредствена близост и на километри разстояния влияят по различен начин на динамиката на въздушните потоци. Необходими са детайлни ветрови анализи и релефни данни за всяко конкретно място, предвидено за монтаж на ветротурбини, както и околния район, обхващащ 10-20 кв. км, за да се минимизират рисковете при инвестиции във вятърните електроцентрали. Не по-малко важно е да се изберат подходящи турбини за съответните конкретни ветроклиматични условия.

Ветроенергиен одит

За детайлна оценка на енергийния характер на вятъра и получаването на пълна обемна картина на движението на въздуха за точно определено място, са необходими продължителни статистически измервания на ветроданните както за скоростта, така и за посоките на вятъра. Ето защо, ветроенергийният одит, за разлика от ветроодита, се прави не по принцип, а винаги за конкретни вятърни турбини и конкретно място. Обикновено, ветроенергийният одит на терена включва изчисление на енергийната плътност на ветровите потоци, изработване на ландшафтен профил, оценка на ветроклиматичните въздействия и ветродинамиката върху работата на ветрогенераторите и анализ на турбуленцията. Отчитат се аеродинамичните, механични и електромагнитни загуби на ветроенергия и се прави ветродинамично и аналитично моделиране със специален софтуер.

Измерване на скоростта на вятъра

Средната скорост на вятъра не трябва да се приема като единствена величина в изчисленията, а като преобладаващата за даден ветроскоростен интервал. Принос за ветровата мощност носят и всички други скорости, които са различни от преобладаващата, но са в същата ветроскоростна лента. Паралелно с измерването на ветроскоростите се мери и плътността на ветровата мощност, както и температурните разлики на терена и въздуха над него в момента на измерванията. Плътността на ветровата мощност, изчислена във W/m2, е важна енергийна характеристика на вятъра, която се влияе не само от хоризонталната ветроскорост, но и от другите характеристики на вятъра и въздуха.

Получените резултати служат за нанасяне на необходимите корекции за вертикалното движение на въздуха, породено от степента на конвекцията му, както и за корекция на плътността на въздуха в зависимост от температурата. След съпоставяне на измерените данни с изчислените по ветродинамичния модел, моделът се калибрира и прецизира за конкретното измервано място, за да се направи, макар и приблизително, начален избор на по-добрите ветроенергийни точки още в процеса на самото измерване.

Сред прилаганите методи за измерване е и т. нар. 3D ветроанализ, при който се анализират скоростите на вятъра в трите основни равнини, за да се получи обемна картина на движението на въздуха. При анализа се взимат под внимание пропорциите между измерените абсолютни стойности, а не самите стойности, тъй като именно пропорциите зависят съществено от релефните и топографски локални особености и са база за моделиране на 3D движението на вятъра и при други абсолютни стойности на ветроскоростите.

Измерване на атмосферно налягане температура и относителна влажност

Влиянието на атмосферно налягане, температурата и относителната влажност на въздуха също са от значение за количеството произведена енергия от вятърния парк. Атмосферното налягане може лесно да бъде измерено на всяка удобна височина. За разлика от него, уредите за измерване на температурата трябва да се монтират на височина най-малко 10 м, за да се избегне влиянието на топлината, излъчвана от земята. Относителната влажност на въздуха не оказва влияние върху произведената енергия, но е полезно да се знае за оценка на опасността от заледяване.

Избор на ветрогенератори

След анализиране на резултатите от ветроенергийния одит се пристъпва към следващата фаза от инвестиционното проучване, а именно изборът на подходящи за преобразуване на наличния ветропотенциал турбини. Изборът се прави след детайлен анализ на ветроенергийните характеристики на ветрогенераторите, които са предварително подбрани така, че електрическата им производителност да е най-висока при съответните ветроусловия и други енергозначими показатели на местата. За целта се изготвя реалистична оценка на електропроизводството за избраните варианти на ветрогенератори, която включва очакван пълен потенциал на годишно електропроизводство и очаквана часова електропроизводителност, съобразно типа на ветрогенераторите и енерготехническите им параметри. При избора на турбина е препоръчително да се използват и данни от техническите тестове на ветрогенераторите в реални експлоатационни условия, направени от независими технически одитори.

Следващ етап в предпроектното проучване е технико-икономическият анализ и инвестиционна оценка на избраните варианти на ветрогенератори. Вземат се под внимание размерът на инвестицията; паричните постъпления; възможните рискове; оперативните разходи; периодът на възвръщаемост на инвестицията; вътрешната норма на рентабилност; съотношението между приходите и разходите; себестойността на електропродукцията и се прави сравнение на отделните варианти.

Анализ на подходящата конфигурация на ветроенергийния парк

Съществен момент при проектирането на вятърните паркове е оценката на т. нар. конфигурационни загуби, която засяга разположението на вятърните турбини в парка. Тези загуби се пораждат от взаимодействието между отделните турбини. Специалистите обръщат внимание на факта, че всяка турбина във ветропарк произвежда по-малко електроенергия в годишно изражение, в сравнение със случаите, когато тя е самостоятелна. Затова е неправилно да се сумират годишните електропроизводствени данни на единични турбини, когато те са разположени във ветропарк. Причината е, че турбините, които са разположени във вятърната „сянка” на другите, не посрещат вятъра, както първата челна турбина по-посока на преобладаващия вятър. В резултат на това, произведената енергия от първата турбина е повече, отколкото на останалите. Не само първата турбина пречи на следващите, но и те пречат на нея, тъй като възпрепятстват свободното движение на въздушния поток. Така налягането зад първата турбина остава по-високо от нормалното, което влияе на коефициента й на полезно действие. Освен това, турбуленцията на въздушния поток, преминал през едната турбина и тежкия аеродинамичен работен режим, в който е поставена следващата турбина, могат бързо да доведат до нейното разрушаване. Различните турбини имат различна “ветропрозрачност” на роторите си, както и различна устойчивост на турбуленция. От това, както и от геометричните им параметри, зависи доколко ще се избегне бързото разрушаване на турбините във ветропарка и доколко електропроизводството му ще бъде максимално възможно за определен терен.

Взаимното влияние между турбините във вятърния парк, причинява т. нар. конфигурационни загуби. Освен от разстоянието между турбините, загубите се влияят и от вида на самите турбини, технологията за аеродинамичното им управление, тяхната пространствена ориентация, характеристиките на местоположението им и други фактори. Стойностите за един добре проектиран вятърен парк варират от 0 до 20% спрямо оценката на брутната енергийна продукция, като ниските стойности съответстват на малки групи от добре разположени турбини, докато високите отговарят за вятърен парк с гъсто разположени турбини и с преобладаващ слаб вятър. Конфигурационните загуби за самостоятелна турбина са 0%, докато при добре проектирани групи от 8 до 10 турбини могат да се задържат под 5%, твърдят експертите.

Технико-икономическа оценка на други фактори

При проектирането трябва да се вземат под внимание и очакваните загуби от замърсяване на роторните лопатки, от обледеняване, от принудителни прекъсвания и други.

Приблизителната оценка на загубите от замърсяване се налага поради честите замърсявания на лопатките от насекоми и натрупването на лед, които влияят върху аеродинамичните качества на лопатите. Този вид загуби участват като входни данни за изчисляването на коефициента на загубите, като стойностите варират от 1 до 3% от брутната енергийна продукция.

Загубите от обледяване се получават в следствие на натрупването на лед по ротора и гондолата, което води до изключване или невъзможно включване на турбината. Загубите от обледяване зависят от околната температура, от височината, на която е монтиран ротора на турбината, от нивото на влажността и от дизайна на турбината. Стойностите им варират от 0 до 8% от брутната енергийна продукция. При място, за което очакваните загуби от обледяване надхвърлят 8%, е препоръчително да се използват турбини с противообледенителни системи. Загубите от принудителни прекъсвания са резултат от техническата експлоатация на турбините, например повреди, стационарни прекъсвания или превантивни прекъсвания. Загубите от принудителни прекъсвания също участват като входни данни за изчисляването на коефициента на загубите, като стойностите им варират от 3 до 7% от брутната енергийна продукция.

Други загуби, които трябва да се предвидят при технико-икономическата оценка, са загубите на енергийна продукция при включването и спирането на машината, при отклонения в работата, при силни ветрове, от изключването на машината при внезапни пориви на ветровете, загуби при трансформацията и при включването на системата в местната енергийна мрежа.