Модель оценки технико-экономических показателей оффшорных ветроэлектростанций

Актуальной проблемой развития морской ветроэнергетики является высокая себестоимость генерации электроэнергии, что обусловлено большими капиталовложениями. Решение поставленной проблемы возможно за счет повышения производительности при максимально возможном снижении затрат, что требует выполнения оптимального проектирования морских ветроэлектростанций.

ЦЕЛЬ. Разработка универсальной модели, предназначенной для оценки технико-экономических показателей морских ветроэлектростанций на основе данных о конфигурации с учетом факторов климатических условий и рельефа морского дна в месте планируемого строительства.

МЕТОДЫ. Математическое моделирование с использованием программной среды MatLab.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Модель обеспечивает оценку влияния факторов аэродинамического эффекта и электрических потерь в основных компонентах электрической системы на производительность электростанции, а также позволяет учитывать влияние топографии морского дна на экономические и конструктивные характеристики опорных конструкций (фундаментов) ветроустановок. Верификация модели выполнена на примере расчета техникоэкономических показателей двух существующих оффшорных ветроэлектростанций «Horns Rev 1» и «Horns Rev 2» путем сравнения расчетных показателей среднегодовой выработки электроэнергии, коэффициента использования установленной мощности, капитальных затрат и нормированной себестоимости электроэнергии с фактическими показателями, полученными в процессе эксплуатации. Результаты сравнения показывают незначительные отклонения, находящиеся в пределах 5% от фактических значений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработана и протестирована модель оценки техникоэкономических показателей оффшорных ветроэлектростанций на основе данных о структуре, используемом оборудовании, а также факторов климатических условий и рельефа местности. Оценка быстродействия расчетного алгоритма показала достаточно высокую скорость расчета, что обеспечивает возможность практического применения модели в задачах многофакторной оптимизации крупных морских ветроэлектростанций.

1. Breeze P. Wind Power Generation. Academic Press, 2015. 104 p.

2. Levelized cost and levelized avoided cost of new generation resources / U.S. Energy Information Administration’s Annual Energy Outlook 2021. Доступно по: https://www.eia.gov/outlooks/aeo/pdf/electricity_generation.pdf. Ссылка активна на 8 января 2022.

3. Таровик В.И., Вальдман Н.А., Труб М.С., и др. Развитие морских электростанций использующих возобновляемые источники энергии // Арктика: экология и экономика. 2013. № 2(10). С. 34-47.

4. Global Wind Energy Council. Global offshore wind report 2020. Доступно по: https://gwec.net/global-offshore-wind-report-2020. Ссылка активна на 8 января 2022.

5. Kudelin A., Kutcherov V. Wind ENERGY in Russia: The current state and development trends // Energy Strategy Reviews. 2021. V. 34. 100627.

6. Вальдман Н.А., Труб М.С., Озерова Л.Л. Морские ветровые электростанции // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2015. №6(370). С. 209-220.

7. Hou P., Zhu J., Ma K., et al. A review of offshore wind farm layout optimization and electrical system design methods // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. 2019. V. 7. pp. 975-986.

8. Rodrigues S., Restrepo C., Katsouris G., et al. A Multi-objective optimization framework for offshore wind farm layouts and electric infrastructures // Energies. 2016. V. 9. N3. 216.

9. Lumbreras S., Ramos A. Offshore wind farm electrical design: a review // Wind Energy. 2012. V. 16. N3. pp. 459-473.

10. Таровик В.И., Вальдман Н.А., Труб М.С., и др. Учет рисков при строительстве и эксплуатации ветряной электростанции для Арктики // Арктика: экология и экономика. 2013. № 3(11). С. 84-96.

11. O’Kelly B.C., Arshad M. Offshore wind turbine foundations – analysis and design // Offshore Wind Farms: Technologies, Design and Operation / ed. by C. Ng and L. Ran. Duxford: Woodhead Publishing, 2016. pp. 589-610.

12. Li J., Wang G., Li Z., et al. A review on development of offshore wind energy conversion system // International Journal of Energy Research. 2020. V. 44. N12. pp. 9283-9297.

13. Katsouris G. Infield cable topology optimization of offshore wind farms: Master of Science Thesis. Delft, Netherlands: Delft University of Technology; 2015. Доступно по: http://resolver.tudelft.nl/uuid:9f313e13-4570-48f8-8aff-3eef35bbad99. Ссылка активна на 8 января 2022.

14. Katic I., Hojstrup J., Jensen N. A simple model for cluster efficiency: EWEC'86: European Wind Energy Association Conference and Exhibition Proceedings. V. 1; 6-8 Oct 1986; Rome, Italy. 1987. pp. 407-410.

15. Feng J., Shen W.Z. Solving the wind farm layout optimization problem using random search algorithm // Renewable Energy. 2015. V. 78. pp. 182-192.

16. Давыдов Д.Ю., Обухов С.Г. Оптимизация расположения ветроустановок с учетом аэродинамического взаимовлияния и протяженности кабельных линий сети сбора мощности // Энергосбережение и водоподготовка. 2020. №3(125). С. 30-34.

17. Dicorato M., Forte G., Pisani M., et al. Guidelines for assessment of investment cost for offshore wind generation // Renewable Energy. 2011. V. 36, N8. pp. 2043-2051.

18. Kucuksari S., Erdogan N., Cali U. Impact of electrical topology, capacity factor and line length on economic performance of offshore wind investments // Energies. 2019. V. 12, N16. 3191.

19. Lundberg S. Performance comparison of wind park configurations. Technical report no. 30R. Sweden: Chalmers University of technology; 2003. Доступно по: https://core.ac.uk/download/pdf/70559221.pdf. Ссылка активна на 8 января 2022.

20. Давыдов Д.Ю., Обухов С.Г. Модель скорости ветра на основе дробного стохастического процесса // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2021. Т. 332. № 5. С. 39-48.

21. General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO): Gridded Bathymetry Data. Доступно по: https://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/. Ссылка активна на 8 января 2022.

22. Mokhi C.E., Addaim A., Cali U. Optimization of Wind Turbine Interconnections in an Offshore Wind Farm Using Metaheuristic Algorithms // Sustainability. 2020. Vol. 12, N14. 5761.

23. Gerdes G., Tiedemann A., Zeelenberg S. Case study: European offshore wind farms - A Survey for the analysis of the experiences and lessons learnt by developers of offshore wind farms. Report by Deutsche WindGuard. Groningen: University of Groningen; 2008. Доступно по: https://tethys.pnnl.gov/sites/default/files/publications/A_Survey_for_the_Analysis_by_Developers_of_Offshore_Wind_Farms.pdf. Ссылка активна на 8 января 2022.

24. Sharples M. Offshore electrical cable burial for wind farms: state of the art, standards and guidance & acceptable burial depths, separation distances and sand wave effect. Bureau of Ocean Energy Management, Regulation & Enforcement - Department of the Interior; 2011. Доступно по: https://www.bsee.gov/sites/bsee.gov/files/tap-technical-assessment-program//finalreport-offshore-electrical-cable-burial-for-wind-farms.pdf. Ссылка активна на 8 января 2022.

25. Lindoe Offshore Renewables Center knowledge. Offshore Renewables Map - Offshore Wind Farms. Доступно по: https://web.archive.org/web/20120116162257/http://www.lorc.dk/Knowledge/Offshorerenewables-map/Offshore-wind-farms. Ссылка активна на 8 января 2022.

26. Energy Numbers: Capacity factors at Danish offshore wind farms. Доступно по: https://energynumbers.info/capacity-factors-at-danish-offshore-wind-farms. Ссылка активна на 8 января 2022.

27. 4C Offshore. Global Offshore Wind Farm Database. Доступно по: https://www.4coffshore.com/windfarms/. Ссылка активна на 8 января 2022.

28. The Kingfisher Information Service – Offshore Renewable & Cable Awareness project (KIS-ORCA). Доступно по: https://kis-orca.org/downloads/. Ссылка активна на 8 января 2022.

29. Расписание погоды RP5. Доступно по: https://rp5.md/Weather_archive_in_Blavand. Ссылка активна на 8 января 2022.

30. Spera D.A., Richards T.R. Modified power law equations for vertical wind profiles. Proceedings of the Conference and Workshop on Wind Energy Characteristics and Wind Energy Siting; 19-21 June 1979; Portland, Oregon (USA). Battelle Memorial Institute, Pacific Northwest Laboratory; 1979. pp. 47-58.

31. Réthoré P.E., Hansen K.S., Barthelmie R.J., et al. Benchmarking of wind farm scale wake models in the EERA - DTOC project. ICOWES 2013: Proceedings of the 2013 International Conference on Aerodynamics of Offshore Wind Energy Systems and Wakes; 17-19 June 2013; Lyngby, Denmark. Technical University of Denmark; 2013. Доступно по: https://backend.orbit.dtu.dk/ws/files/69802341/BENCHMARKING_OF_WIND_FARM_SCALE.pdf. Ссылка активна на 8 января 2022.