CC BY
11Научная статья /Original article
УДК 620
https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-2-81
Альтернативная энергетика и экологическая обстановка в районе туркменского озера Алтын асыр
Алланазаров Нурмухаммет Аганазарович1, Мюлкиев Чары Клычевич2, Батманов Джуманазар Худайназарович3, Акыммаев Язберди Агасапарович4
1,2,3,4Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан,
1nurvsh90(a'bk.ru
Аннотация. Определено количество электроэнергии по месяцам в год по соответствующим условиям фотоэлектрической солнечной электростанции мощностью 7 МВт и ветровой электростанции мощностью 3 МВт, которые планируется построить и ввести в эксплуатацию вокруг Туркменского озера Алтын асыр по результатам оценки ресурсов солнечной и ветровой энергии в установленной точке.
Ключевые слова: туркменское озеро Алтын асыр, интенсивность солнечного излучения, фотоэлектрическая солнечная электростанция, коэффициент пересчета, комбинированная электростанция мощностью 10 МВт, выработка электрической энергии, ветровая электростанция
Для цитирования: Алланазаров Н. А., Мюлкиев Ч. Г., Батманов Д. X., Акыммаев Я. А. Альтернативная энергетика и экологическая обстановка в районе туркменского озера Алтын асыр // Вестник Сыктывкарского государственного университета. Серия 2: Биология. Геология. Химия. Экология. 2022. № 2(22). С. 81—88. https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-2-81
Alternative energy and ecological situation in the area of the Turkmen lake Altyn asyr
Nurmuhammet A. Allanazarov1, Chary G. Mulkiyev2, Jumanazar H. Batmanov3,
Yazberdi A. Akymmayev4
12Д4State Energy Institute of Turkmenistan, Mary, Turkmenistan, 1nurysh90@bk.ru
Abstract: In scientific work, the amount of electricity was determined by months per year according to the relevant conditions of a photovoltaic solar power plant with a capacity of 7 MW and a wind power plant with a capacity of 3 MW, which are planned to be built and put into operation around the Altyn asyr Turkmen lake based on the results of an assessment of solar and wind energy resources at the set point.
Keywords: Turkmen lake Altyn Asyr, intensity of solar radiation, photovoltaic solar power plant, conversion factor, combined power plant with a capacity of 10 MW, power generation, wind power plant
For citation: Allanazarov N. A., Mulkiyev C. G., Batmanov Ju. H., Akymmayev Ya. A. Alternative energv and ecological situation in the area of the Turkmen lake Altyn asyr // Vestnik Syktyvkarskogo universiteta. Seriya 2. Biologiya, geologiya, himiya, ekologiya = Syktyvkar University Bulletin. Series 2. Biology, geology, chemistry, ecology, 2022. 2(22): C. 81—88. (In Russ.). https://doi.org/10.34130/2306-6229-2022-2-81
Введение. Климатические и географические условия Туркменистана позволяют использовать возобновляемые источники энергии. Для обеспечения устойчивого развития отраслей экономики Туркменистана, расширения сферы применения возобновляемых и нетрадиционных источников энергии, повторного использования энергоресурсов, развития энергоэффективных и инновационных технологий в области энергосбережения постановлениями Президента Туркменистана № 674 (от 21.02.2021 г.) и
№ 2007 (от 04.12.2020 г.) утверждены «Государственная программа по энергосбережению на 2018-2024 годы» и «Национальная стратегия по развитию возобновляемой энергетики в Туркменистане до 2030 года». Для укрепления нормативно-правовой базы и для реализации данной Программы и Стратегии принят Закон «О возобновляемых источниках энергии».
На всю поверхность Земли приходится около (0.85-1.2) 1014 кВт или (7,5-10)1017кВт-час/год при среднем удельном поступлении солнечного излучения (СИ) 200-250 Вт/м2 или 1752-2190 кВт-час/м2-год. При этом диапазон удельного прихода СИ на Землю меняется весьма значительно как во времени, так и по ее территории: (1701000) Вт/м2 или (17-100) 104 кВт-час/км2. Приход всех прочих видов энергии составляет всего 19 кВт/км2, что говорит об огромных возможностях СИ на Землю. Если принять, что мощность всех видов энергоустановок на Земле составляет сегодня около 10 ТВт или 10-Ю9 кВт, то мощность СИ превышает современные потребности человечества в тысячи раз [1]. В Туркменистане около 300 солнечных дней в году. Среднегодовая интенсивность солнечного излучения на территории страны составляет 700-800 Вт/м2, т.е. на 1 м2 ее площади в год приходится 1800-2000 кВт-час энергии [2].
Для реализации сделанных прогнозов необходимы точные данные о величине солнечной энергии, ее динамике во времени (падение солнечной радиации на землю) в определенных географических точках, что позволит рационально разместить источники энергии в населенных пунктах.
Постановлением № 1207 Президента Туркменистана от 12.04.2019 г. утверждена Концепция освоения региона Туркменского озера Алтын асыр в 2019-2025 гг. На 1-й стадии (1-я стадия 2019-2022; 2-я стадия 2022-2025 гг.) концепции с целью защиты окружающей среды и внедрения «зеленых» технологий планируется строительство солнечной и ветряной комбинированной электростанций мощностью 10 МВт [3]. Станция состоит из фотоэлектрической солнечной электростанции мощностью 7 МВт и ветровой электростанции мощностью 3 МВт (рис. 1).
Цель работы: оценить ресурсы солнечной и ветровой энергии в районе оз. Алтын асыр.
Рис. 1. Общий вид солнечной и ветровой комбинированной электростанции
мощностью 10 МВт
Методы исследования, теоретическая база. В ходе исследования проведены расчеты электроэнергии, которая будет вырабатываться при соответствующих условиях фотоэлектрической солнечной электростанцией мощностью 7 МВт и ветровой электро-
станцией мощностью 3 МВт, которые планируется построить и ввести в эксплуатацию возле озера Алтын асыр. В итоге установлена общая энергопроизводительность планируемых станций для данных географических координат (40°44' с.ш. и 56°47' в.д.). Оценки солнечной радиации для региона рассчитаны на основе актинометрических данных, взятых из базы данных HACA.
По спутниковым данным величина солнечной радиации представляет собой значения её падения на горизонтальную плоскость, и если солнечные панели наклонены на определенный угол /? в определенной точке горизонтальной плоскости, то по приведенной ниже формуле, рассчитав поступление солнечной энергии за один солнечный день, можно рассчитать среднее суммарное количество солнечной энергии, падающей на наклонную плоскость за один месяц [1]:
Ен = R-E,
где Е - среднемесячное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность; R - отношение среднемесячных значений солнечной радиации, поступающей на наклонную и горизонтальную поверхности.
Коэффициент пересчета с горизонтальной плоскости на наклонную с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению [1]:
1 + cos /? 1 — cos /3
( Ь„\ Ь„ 1 + cos/í
2
где Ер - среднемесячное количество рассеянного солнечного излучения, поступающее на горизонтальную поверхность; Ер /Е - среднемесячная доля рассеянного солнечного излучения; Rn - среднемесячный коэффициент пересчёта прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; /? - угол наклона поверхности солнечной батареи к горизонту; р - коэффициент отражения (альбедо) поверхности Земли и окружающих тел, обычно принимаемый равным 0.7 для зимы и 0.2 для лета.
Среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность равен [1]:
71
C0s((p — /?) ■ COS S ■ sin ít)3H + -jgQ ■ ít)3H ■ sin(<p — /?) ■ sin S
^n jz >
COS <P ■ COS S ■ sin ú)3 + -jgQ ■ ú)3 ■ sin cp ■ sin S
где cp - широта местности, град; /? - угол наклона солнечной батареи к горизонту, град; 8- склонение Солнца за интервал At, которое обычно определяется по формуле Купера:
284 + п\
8 = 23.45-sin 360'
/ Zo4 + п\
где п - порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января (номер среднего расчетного дня для каждого месяца года). Тем самым принимается, что значение 8(At) = 8[п), т.е. склонение Солнца, считается постоянным для каждого n-го дня года, а 284 - константа, равная числу дней года, начиная с 21.03 и до 31.12. Численные значения 8[n¡) в течение года (1 < п,<365) для эмпирических расчетов суток каждого месяца приведены ниже в табл. 1 в соответствии с формулой Купера.
Таблица 1
Численные значения 8 (п!) для характерных эмпирических расчетов суток каждого месяца года
Месяц I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
п 17 47 75 105 135 162 198 228 258 288 318 344
5, град -20.9 -13 -2.4 9.4 18.8 23.1 21.2 13.5 2.2 -9.6 -18.9 -23
Основной характеристикой ветра, определяющей интенсивность и эффективность использования ветровой энергии, является его средняя скорость за определённый период времени (сутки, месяц, год).
Среднегодовая скорость ветра определяется по [5]:
12 ¡=1
М'
где Ум- среднемесячная скорость ветра, м/с.
Вертикальный профиль ветрового потока определяется по формуле:
Ук2 = V,
/г1
где Уъг - скорость ветра на высоте йг; Уы - скорость ветра, измеренная на высоте флюгера, м/с; /и - высота флюгера, м; йг - высота оси ветроколеса относительно основания башни, м; т - степенной коэффициент, учитывающий характер изменения скорости ветра с высотой, для Туркменистана этот показатель равен 0.2 (РФ - 0.2; США - 0.18).
Для выполнения ориентировочных расчетов мощности ВЭУ используется упрощенная методика, содержание которой приведено ниже.
Кинетическую энергию воздушного потока можно определить по формуле [6]:
Е =■
т ■ V2
где т - масса воздуха, кг; У - средняя скорость воздуха, м/с.
Если в эту формулу ввести секундную массу воздуха, проходящую через сечение Б, то можно получить формулу для расчета мощности воздушного потока:
Е =■
М ■ V2
где М - секундный расход воздуха, кг/с, рассчитываемый по формуле:
М = р - V ■ Б,
где р - плотность воздуха, кг/м3 (при выполнении расчетов рекомендуется принимать р = 1.255 кг/м3, соответствующую температуре 15°С и давлению 101.3 кПа). Окончательно получаем:
р-У3 N = -——
■5
Если принять 5 = 1 м2, то получим удельную мощность воздушного потока (Вт/м2):
Муд = 0.5 -р-У\
С учетом изложенных выше соображений можно рассчитать полезную мощность ВЭУ (кВт) по формуле:
Л?вэу = Щц ' 5ВЭУ Ю"3,
где Бвэу - площадь, ометаемая лопастями ветроколеса, м2; г]р - КПД, учитывающий механические потери в роторе; г]г - КПД, учитывающий потери в генераторе; -коэффициент использования энергии ветра, учитывающий профильные потери, вызываемые трением струй воздуха о поверхность лопастей и зависящие в основном от профиля лопастей, концевые потери, возникающие в результате образования вихрей, сходящих с концов лопастей, потери на закручивание струи воздуха за ветроколесом.
При выполнении расчёта Ыуа необходимо использовать величину средней скорости ветра на уровне высоты башни ВЭУ. Площадь, ометаемую лопастями ветроколеса, определяют по формуле:
п-В2
где £> - наружный диаметр ротора ВЭУ, м.
При выполнении ориентировочных расчетов рекомендуется принимать следующие величины коэффициентов, учитывающих потери при преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую энергию:
Т]Р = 0.9;-Т]т = 0.95;- £ = 0.45.
Результаты и обсуждение. Определено сокращение объема выброса вредных газов (СОг) в атмосферу, количество электроэнергии, производимой по месяцам в течение года, фотоэлектрической солнечной электростанцией мощностью 7 МВт, ориентировав их строго на юг с оптимальным годовым углом /?относительно горизонтальной плоскости (табл. 2; рис. 2).
Таблица 2
Вырабатываемая электроэнергия фотоэлектрической солнечной электростанцией
мощностью 7 МВт
Географические координаты, в град. Оптимальный угол наклона р, в град. Вырабатываемая электроэнергия СЭСза год, МВт-час Количество сэкономленного природного газа, т Снижение выбросов СОг, т
Северная широта Восточная долгота
400 44' 56» 47' 38 16716.52 2507.48 6753.47
МВт«ч
2000
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Рис. 2. Среднее количество электроэнергии, которое фотоэлектрическая солнечная электростанция может вырабатывать по месяцам, при оптимальном угле /? относительно горизонтальной плоскости
По данным, собранным на основе замеров скорости ветра в районе оз. Алтын асыр за 2019-2021 гг., установлены средняя скорость ветра, количество вырабатываемой электрической энергии двумя ветровыми электростанциями номинальной мощностью 1.5 МВт каждая по месяцам и в среднем за год, сокращение объема выброса вредных газов (СОг] в атмосферу (рис. 3, табл. 3).
МВт-ч
1 000,00
900,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
■ Выработка электроэнергии
Рис. 3. Выработка электроэнергии ветровой электростанцией мощностью 3 МВт
Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
■ Выработка электроэнергии
Таблица 3
Вырабатываемая электроэнергия ветровой электростанцией мощностью 3 МВт
Географические координаты, в град. Среднегодовая скорость ветра, м/с Вырабатываемая электроэнергия ВЭС за год, МВт-час Количество сэкономленного природного газа, т Снижение выбросов СОг, т
Северная широта Восточная долгота
400 44' 56» 47' 6.8 8447.01 1267.1 3412.6
Заключение. Для территории озера Алтын асыр определён оптимальный относительно горизонтальной плоскости годовой угол наклона солнечных батарей, который равен 38°. По итогам работы предлагаем не использовать систему слежения за движением Солнца, а установить панели в неподвижном состоянии, ориентировав их строго на юг. В пределах Балканского велаята количество солнечной радиации на 1 м2 в год равно 2814.15 кВт-час при годовом оптимальном угле наклона относительно горизонтальной плоскости солнечных панелей у озера Алтын асыр в 38°. Определено количество электроэнергии, которое фотоэлектрическая солнечная электростанция мощностью 7 МВт может выработать в течение года в заданной точке. Фотоэлектрическая солнечная электростанция мощностью 7 МВт в заданной точке вырабатывает 16716.52 МВт-час электроэнергии в год, что позволяет сэкономить 2507.48 т природного газа и предотвратить выброс 6753.47 т (СОг) вредных газов в окружающую среду. Определено количество электроэнергии, которое ветровая электростанция общей мощностью 3 МВт в заданной точке вырабатывает 8247.01 МВт-час электроэнергии. Это позволяет сэкономить 1267.1 т природного газа и предотвращает выброс в окружающую среду 3412.6 т (СОг) вредных газов.
Список источников
1. Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В., Кузнецова В. А., Малинин Н. К. Солнечная энергетика: уч. пос. для вузов /под ред. В. И. Виссарионова. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 317 с.
2. Джумаев А. Научно-технический и методологический анализ ресурсов и развития солнечной энергии в Туркменистане: уч. пос. для вузов. Ашхабад, 2016. 213 с.
3. Концепция освоения региона Туркменского озера Алтын асыр в 2019-2025 годы. Ашхабад, 2019.10 с.
4. Алланазаров Н. Особенности проектирования фотоэлектрической солнечной электростанции // Работы XXI Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления». Гомель, 2021. 293 с .
5. Сарыев К. Возможности использования ветряных электростанций для обеспечения потребителей электроэнергией // Научно-технические основы использования возобновляемых источников энергии в Туркменистане. Ашхабад: Наука, 2021. С. 60-69.
6. Риполь-Сарагоси Т. Л., Кууск А. Б. Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии: уч.-метод, пос. Ростов н/Д.: Рост. гос. ун-т. путей сообщения, 2019.122 с.
References
1. Vissarionov V. I., Deryugina G. V., Kuznecova V. A., Malinin N. K. Solnechnaya energetika: uch. pos. dlya vuzov / Pod red. V. I. Vissarionova [Solar energy: textbook for universities], Moscow: Izdatel'skij domMEI, 2008. 317 p.
2. Dzhumaev A. Nauchno-tekhnicheskij i metodologicheskij analiz resursov i razvitiya solnechnoj energii v Turkmenistane: uch. pos. dlya vuzov [Scientific, technical and methodological analysis of resources and development of solar energy in Turkmenistan. Textbook for students of higher educational institutions], Ashkhabad, 2016. 213 p.
3. Koncepciya osvoeniya regiona Turkmenskogo ozera Altyn asyr v 2019-2025 gody [Concept for the Development ofthe «Altyn asyr» Turkmen Lake Region in 2019-2025]. Ashkhabad, 2019.10 p.
4. Allanazarov N. Features ofthe design of a photovoltaic solar power plant. Raboty XXI Mezhdu-narodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii studentov, aspirantov i molodyh uchenyh «Issledovaniya i razrabotki v oblasti mashinostroeniya, energetiki i upravleniya» = Works ofthe XXI International scientific and technical conference of students, graduate students and young scientists «Research and development in the field of mechanical engineering, energy and management». Gomel', 2021. P. 293.
5. Saryev K. Possibilities of using wind farms to provide consumers with electricity. Nauchno-tekhnicheskie osnovy ispol'zovaniya vozobnovlyaemyh istochnikov energii v Turkmenistane = Scientific and technical bases for the use of renewable energy sources in Turkmenistan Scientific and technical bases for the use of renewable energy sources in Turkmenistan. Ashkhabad: Nauka, 2021. Pp. 60-69.
6. Ripol'-Saragosi T. L., Kuusk A. B. Vozobnovlyaemye i netradicionnye istochniki energii: uch.-metod. pos. [Renewable and non-traditional energy sources. Teaching aid.]. Rostov n/D.: Rostov State Transport University, 2019.122 p.
Информация об авторе/Information about the author
Алланазаров Нурмухаммет Аганазарович
Инженер научно-производственного центра «Возобновляемые источники энергии»
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, д. 62
Мюлкиев Чары Клычевич
Старший преподаватель кафедры «Механика и технологии металлов»
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, д. 62
Батманов Джуманазар Худайназарович
Старший преподаватель кафедры «Механика и технологии металлов»
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, д. 62
Акыммаев Язберди Агасапарович
Преподаватель кафедры «Механика и технологии металлов»
Государственный энергетический институт Туркменистана, Мары, Туркменистан, 745400, ул. Байрамхана, д. 62
Nurmuhammet A. Allanazarov
Engineer ofthe scientific-productional center ofthe «Renewable Energy Sources»
State Energy institute of Turkmenistan, 62 Bayramhan Street, Mary, 745400, Turkmenistan
Chary G. Mulkiyev
Senior lecturer at the Department of «Mechanics and Technology of Metals»
State Energy institute of Turkmenistan, 62 Bayramhan Street, Mary, 745400, Turkmenistan
Jumanazar H. Batmanov
Senior lecturer at the Department of «Mechanics and Technology of Metals»
State Energy institute of Turkmenistan, 62 Bayramhan Street, Mary, 745400, Turkmenistan
Yazberdi A. Akymmayev
Lecturer at the Department of «Mechanics and Technology of Metals»
State Energy institute of Turkmenistan, 62 Bayramhan Street, Mary, 745400, Turkmenistan
Статья поступила в редакцию / The article was submitted 25.01.2022
Одобрена после рецензирования / Approved after reviewing 01.04.2022
Принята к публикации / Accepted for publication 08.04.2022
