В проектном процессе в ветроэнергетике, как и в любой другой области, требуется проведение большого количества различных расчетов, которые невозможны без использования систем автоматизированного проектирования (САПР). Основной специфической задачей в ветроэнергетике является расчет различных характеристик ветра, которые можно разделить в соответствии с методическими указаниями по проведению изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов РД52.04.275–89 на три основные группы.
К первой группе относятся общие климатические характеристики, необходимые для оценки теоретического (или валового) ветроэнергетического потенциала. Ко второй группе относятся специализированные климатические характеристики, используемые для оценки технических ветроэнергетических ресурсов. К третьей группе относятся характеристики, используемые для расчета конструкций ВЭУ на прочность и устойчивость. Для проведения технико-экономического обоснования проектов ветроэлектрических станций (ВЭС) используются ветровые данные первой и второй групп.
Безусловным монополистом на мировом рынке САПР для ветроэнергетики является датская компания EMD International A/S, которая выпустила несколько программных комплексов, использующихся для проектирования и эксплуатации электростанций на базе возобновляемых источников энергии. Флагманским проектом EMD International A/S, несомненно, является программный комплекс WindPRO, основной сферой использования которого является, как раз этап технико-экономического обоснования проектов ВЭС.
Программный комплекс WindPRO имеет модульную структуру и охватывает все аспекты, связанные с проектированием ВЭС и планированием ее режима работы. Программа позволяет проводить оценку ветрового потенциала рассматриваемой территории; подбор модели ВЭУ, используемой в проекте; микросайтинг ветроустановок на площадке; проводить расчеты, связанные с охраной труда и окружающей среды; разработку схемы электрических соединений и экономические расчеты. Для реализации данного функционала EMD International A/S были интегрированы в программный комплекс WindPRO программа WAsP для оценки ветровых ресурсов площадки, микросайтинга и оценки выработки электроэнергии ВЭС и связанная с ней модель CFD для расчета ветровых потоков для сложных форм рельефа, разработанная исследовательским подразделением DTU Wind and Energy Systems Датского технического университета в Копенгагене.
Недостатками программного комплекса WindPRO являются необходимость дополнительной подготовки проектировщиков (тренинги по работе с программным комплексом на данный момент проводятся онлайн – стандартный и продвинутый курсы занимают по 5 дней и стоят €1490 и €1590, соответственно), а также высокая цена. Поскольку программный комплекс имеет модульную структуру, каждый модуль приобретается отдельно – для базовой функциональность необходимо приобрести три модуля (BASIS для администрирования проектов, METEO для оценки ресурсов и MODEL для расчета выработки ВЭУ), которые для проектной организации суммарно обойдутся в €4200. Отдельно следует отметить, что существуют более дешевые университетские, образовательные и студенческие лицензии, однако они предоставляются на особых условиях по персональному запросу (так, например, студенческая лицензия предоставлется только на условиях наличия предмета, связанного с ветроэнергетикой, в индивидуальной учебной программе студента), имеют ограничение по времени действия и не могут быть использованы в коммерческих целях.
С февраля 2022 года перед российскими пользователями встало две дополнительные проблемы: первая – это невозможность оплаты лицензий с российских счетов (проблему с неблагоприятной конъюнктурой валютных курсов мы опускаем), а вторая – это невозможность использования всех возможностей программного комплекса с российских ip (так, для российских пользователей закрыт доступ к богатейшим библиотекам климатических данных и основного ветроэнергетического оборудования WindPRO), иcпользование VPN не всегда дает возможность получить доступ к полному функционалу программного комплекса.
В связи с этим вопрос разработки российского аналога WindPRO, имеющего функциональность его базовых модулей, стал особенно актуальным. Авторский коллектив сотрудников кафедры Гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии (ГВИЭ) Национального исследовательского университета «МЭИ» в составе Евгения Игнатьева, Галины Дерюгиной и Василия Метта начал разработку аналога WindPRO ещё в 2019 году.
Перед разработчиками стояла задача создать простой и интуитивный в работе программный продукт, имеющий дружественный интерфейс и не требующий дополнительного обучения для его использования, что особенно важно при его использовании в образовательном процессе. В программном комплексе для ветроэнергетических расчетов должны быть реализованы возможность получения исходных данных из открытых источников и ввода данных, полученных пользователем из других источников; наличие процедур ручного и автоматического ввода различных условий расчета, ограничений и параметров; формирование результатов расчетов, доступных и удобных для дальнейшего использования (получение рядов данных с заданной дискретностью после каждого этапа расчетов); простота реализации и дальнейшей поддержки разработанного программного обеспечения; и возможность расширения спектра решаемых задач. В качестве базовых задач работы программного комплекса были определены: расчет ветровых ресурсов по данным из открытых информационных источников; моделирование скорости ветра в заданной точке на заданной высоте по данным из выбранного информационного источника; определение энергетических показателей режима работы одиночной ВЭУ.
В 2020 году авторским коллективом был разработан первый модуль программного комплекса – Расчет ветроэнергетического кадастра (см. схему на рисунке 1) – который позволяет решать следующие задачи: извлечение данных из информационного источника; корректировка рядов данных (удаление повторов и ошибок в данных); моделирование рядов данных с заданной дискретностью по времени; восстановление пропущенных значений в ряду данных; расчет ветрового кадастра (расчет за заданный период времени: средней скорости ветра; коэффициента вариации скорости ветра; максимальной скорости ветра; удельной мощности и удельной энергии ветра; вариации скорости ветра; повторяемости скорости и направлений ветра; параметров теоретической повторяемости скорости ветра по распределению Вейбулла); выбор характерного года в многолетнем ряду значений. В качестве основных информационных источников в модуле используются специализированные базы данных: база данных по метеорологическим наблюдениям на метеостанциях сайта «Расписание погоды» и база данных спутниковых метеорологических наблюдений NASA «The POWER Project». Помимо описанных баз данных возможно также использование ветровых данных из любого предварительно созданного пользователем файла. В дальнейшем, на разработанный программный модуль было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Рисунок 1. Структурная схема модуля «Расчет ветроэнергетического кадастра».
В 2021 году авторы доработали программный комплекс добавив в него ещё два модуля – модули «Пересчет скорости ветра в точку расположения ВЭС на высоту башни ВЭУ» и «Расчет выработки ВЭУ» – после чего программный комплекс, получивший название Wind Turbine, принял свой нынешний вид (см. схему на рисунке 2).
Рисунок 2. Укрупненная структурная схема программного комплекса «Wind Turbine».
В программном комплексе Wind Turbine используется несколько оригинальных баз данных, часть из которых была разработана сотрудниками кафедры Гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии (ГВИЭ) НИУ «МЭИ» (база данных «ETOPO2» является разработкой NOAA, базы данных «Микрокоэффициенты» и «Мьезокоэффициенты» разработаны сотрудниками кафедры ГВИЭ по данным ГГО им. А.И. Воейкова).
На программный комплекс Wind Turbine в дальнейшем также было получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (Программный комплекс для проведения ветроэнергетических расчетов «Wind Turbine». Дерюгина Г.В., Игнатьев Е.В., Метт В.Д. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021661441, 12 июля 2021 г.).
Разработанный программный комплекс имеет схожие функциональные возможности с тремя основными модулями программного комплекса WindPRO: BASIS, METEO и MODEL (см. таблицу 1).
Таблица 1. Сопоставление функциональных возможностей программных комплексов «WindPRO» и «Wind Turbine».
Примечание: Жирным шрифтом показано совпадение функциональных возможностей программного комплекса «WindPRO» с возможностями разработанного программного комплекса «Wind Turbine».
Существенными различиями программного комплекса Wind Turbine и WindPRO являются методическое обеспечение расчетов и применяемые базы данных. Например, моделирование скорости ветра по высоте в программном комплексе WindPRO реализовано по логарифмической зависимости, а в Wind Turbine по степенной зависимости, для которой показатели степени определяются по оригинальной методике, разарботанной сотрудниками кафедры ГВИЭ НИУ «МЭИ». Также в программном комплексе Wind Turbine использованы методики ГГО им. А.И. Воейкова и оригинальные базы данных, применимые для геофизических и климатических условий РФ. Тем не менее, в отличие от WindPRO в программном комплексе Wind Turbine предусмотрена возможность подключения других баз данных и ручного ввода данных, требуемых при расчетах не только для условий РФ.
В настоящее время последняя версия программного комплекса Wind Turbine используется студентами НИУ «МЭИ», обучающимися по направлениям подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» при выполнении НИР, курсового проектирования, выпускных квалификационных работ. Программный комплекс используется проектными организациям (например, с его помощью проводилась подготовка обоснования использования ВЭС при исследовании альтернативных источников энергообеспечения функционирования сетей ПРТС для ФГБУ НИИР), а также в области повышения квалификации сотрудников энергетических компаний для ознакомления с некоторыми стадиями проектного процесса ВЭС (в 2023 году проводился мастер-класс с сотрудниками Electrical Engineering and Project Company of Cuba).
Программный комплекс Wind Turbine имеет обширный потенциал для доработки. Прежде всего авторским коллективом планируется решить следующие задачи:
- Добавление сервисов работы с картами и возможности построения карт распределения ветровых ресурсов, что позволит полностью повторить функциональные возможности модулей BASIS и MODEL программного комплекса WindPRO;
- Добавление возможности проведения ветроэнергетических расчетов для ВЭС в целом, а не только одиночной ВЭУ. Добавление четвертого программного модуля «Расчет выработки ВЭС» позволит полностью повторить функциональные возможности модуля PARK программного комплекса WindPRO, такие как:
-
- расчет годовой выработки ВЭС;
- расчет паттерна выработки ВЭС и статистических показателей режима работы ВЭС;
- сравнение показателей работы различных ВЭУ с башнями разной высоты;
- расчет выработки ВЭС с учетом потерь в различных условиях.
-
- Добавление программного модуля по прогнозированию выработки ВЭУ и ВЭС;
- Сертификация программного комплекса в соответствии с ГОСТ Р ИСО/МЭК 25001-2017;
- Добавление англоязычного интерфейса;
- Организация возможности использования дополнительных подключаемых баз данных и сторонних библиотек в коммерческих целях по модели платной подписки, как это реализовано в программном комплексе WindPRO.
Эти задачи имеют высокое значение для развития программного комплекса с учетом его дальнейшего применения в научно-исследовательских и прикладных работах, связанных с проведением ветроэнергетических расчетов.
