CC BY
1
УДК 621.31 DOI https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2023.4.7
В. О. ЗУБЕНКО
кандидат техшчних наук, доцент, доцент кафедри пдротехшчного бущвництва, водно! та електрично! iнженерil Херсонський державний аграрно-економiчний ушверситет ORCID: 0000-0002-8401-755X
I. А. БЕРЕЗЮК
кандидат техшчних наук, доцент, доцент кафедри автоматизаци виробничих процесiв Центральноукрашський нацiональний технiчний унiверситет
ORCID: 0000-0003-1903-8204
I. В. ВОЛКОВ
викладач кафедри автоматизаци виробничих процесiв Центральноукрашський нацiональний технiчний унiверситет
ORCID: 0000-0002-2331-1237
Р. В. ТЕЛЮТА
кандидат технiчних наук, доцент, доцент кафедри електротехшчних систем та енергетичного менеджменту Центральноукрашський нацiональний техшчний унiверситет
ORCID: 0000-0002-4923-1227
АНАЛ1З МОЖЛИВОСТЕЙ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ В1ТРОВОЮ ЕНЕРГ1СЮ ФЕРМЕРСЬКИХ ГОСПОДАРСТВ К1РОВОГРАДЩИНИ
Стан технгчного обладнання електромереж та вшськова агресгя стають причинами систематичних аварт-них вгдключень, що ускладнюе забезпечення енергетичних потреб спожшачгв. Особливо вразливими е фермер-сью господарства розподшет по територИ та в1ддалет вгд лтш централгзованого енергопостачання. Одним з можливих варгантгв виршення ц1ег проблеми е використання в1дновлювальних джерел енергИ. Перспективним варгантом е впровадження втроенергоустановок.
Нажаль ix використання стримуеться через малу кшьюсть iнформацИ, про втровий потенцгал обраного регюну. А данi з юнуючих державнихметеостанцш Украши не можуть служити надшною основою для прогнозу виробництва електроенерги через вiтроенергетичнi установки, осюльки ixня похибка зазвичай коливаеться вiд 40% до 70% та залежить вiд географiчниx умов, рельефу та геометри мiсцевостi.
В якостi до^джуваного об'екту взято фермерське господарство розташоване у в Юровоградськомурегiонi, центрально'1' частини Украши.
Тому анал1з та розгляд можливостей впровадження вiтроенергетики в цьому регiонi для потреб фермер-ських господарств, е основною метою дослiджень.
Для вирiшення поставлено'1' мети, був здшснений: збiр даних вiдносно вiтровиx швидкостей та напрямюв; проаналгзований енергетичний потенцiал енерги втру до^джуемого регюну; побудуваш графжи залежностi швидкостi вiтру та змодельовано роботу втроустановки, для регiону, що до^джувався.
Загальний анализ виявив, що географiчнi характеристики та клiматичнi умови Юровоградського регюну створюють сприятливi умови для успiшного розвитку втроенергетики. Застосування вiтрогенераторiв не лише гарантуе стале та продуктивне джерело енерги для фермерських господарств у план енергетично '1' само-достатностi, але й сприяе природоохоронному виробництву.
Ключовi слова: вiдновлювальнi джерела енерги, втроустановка, фермерське господарство.
V. O. ZUBENKO
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Hydraulic Construction, Water and Electrical Engineering Kherson State Agrarian and Economic University ORCID: 0000-0002-8401-755X
I. A. BEREZIUK
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Automation of Production Processes Central Ukrainian National Technical University ORCID: 0000-0003-1903-8204
I. V. VOLKOV
Lecturer at the Department of Automation of Production Processes Central Ukrainian National Technical University ORCID: 0000-0002-2331-1237
R. V. TELIUTA
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Electrical Engineering Systems
and Energy Management Central Ukrainian National Technical University ORCID: 0000-0002-4923-1227
ANALYSIS OF THE OPPORTUNITIES OF WIND ENERGY PROVIDING FOR FARMS
IN KIROVOGRAD REGION
The state of the technical equipment of power grids and military aggression cause systematic emergency outages, which makes it difficult to meet the energy needs of consumers. Farms distributed over the territory and remote from centralized power supply lines are particularly vulnerable. One possible solution to this problem is to use renewable energy sources. A promising option is the introduction of wind turbines.
Unfortunately, their usage is constrained by the lack of information about the wind potential of the selected region. And data from existing state weather stations in Ukraine cannot serve as a reliable basis for forecasting electricity production by means of wind turbines, as their error usually ranges from 40% to 70% and depends on geographical conditions, terrain and area geometry.
As a research object, a farm has been taken in the Kirovograd region, central Ukraine.
Therefore, the analysis and consideration of the possibilities of wind energy implementation in this region for the needs offarms is the main goal of the research.
To achieve this goal, the following have been done: data collection on wind speeds and directions; analysis of the energy potential of wind energy in the area under research; the graphs of wind speed dependence and modeling of wind turbine operation for the study area have been made.
The general analysis has revealed that the geographical characteristics and climatic conditions of the Kirovograd region create favorable conditions for the successful development of wind energy. The use of wind turbines not only guarantees a sustainable and productive source of energyfor farms in terms of energy self-sufficiency, but also contributes to environmental production.
Key words: renewable energy sources, wind turbine, farming.
Постановка проблеми
Енергетична криза в Укра!ш сьогодш е особливо гострою проблемою, зокрема в сшьському господарствi та ввддалених районах, яш знаходяться далеко ввд централiзованих мереж електропостачання [1, 2]. А надзвичайш ситуаци в енергопостачанш, як виникають через техшчний стан мереж та попршеш через военну агресш, при-зводять до частих аваршних вщключень. Все це ускладнюе можливють задоволення енергетичних потреб спо-живачiв. Ця ситуацiя породжуе низку виклишв, таких як нестабшьне електропостачання для фермерських госпо-дарств та об'еклв поза мюькою шфраструктурою. А також ставить тд загрозу !хню продуктившсть та може мати негативний вплив на врожай, його збер^ання та переробку продукцп.
Важливим кроком у виршенш ще! проблеми е використання вщновлювальних джерел енерги (ВДЕ), яш можуть забезпечити стаб№не та надшне енергопостачання для сшьських господарств, та зменшити залежшсть ввд централiзованих мереж. Вибiр конкретного ВДЕ може залежати вщ доступносп цього джерела в конкретнш мюцевосп. Адже при управлшш процесом енергопостачання необхвдно точно визначати типи джерел енерги, !х шльшсть та потужшсть, щоб гарантувати задоволення енергетичних потреб споживача [2, 3]. Одним iз пер-спективних варiантiв використання альтернативно! енергетики е вiтровi турбши, яш можуть надавати стаб№не джерело електроенергп, особливо в сшьських районах.
Ah^Í3 останшх дослщжень i публшацш
В Укра1ш сьогодш набирае оберпв використання впрягав мало! потужносп, яш встановлюються фермерськи-мим господарствами для власних потреб [4, 5, 7]. Невелиш впроенергетичш установки (вiд 200 Вт до 20 кВт)
привабливi тим, що ïx можна достатньо швидко встановити та вони оптимально пвдходять там, де немае iнших джерел енергiï, або коли пiдключення до юнуючих мереж занадто дорого.
Вщомо, що на ефективнiсть генерацiï енергй вiтроустановок впливае вiтровий потенцiал, який варшеться в залежностi вiд географiчниx умов, рельефу та геометрп мюцевосп. Якщо швидк1сть вiтру спадае нижче мшь мального порогу для генерацп елекгроенергiï, вiтрогенератори можуть припинити свою роботу. З шшого боку, рiзке збiльшення швидкостi вiтру може вимагати вимкнення вiтрогенераторiв для захисту обладнання. Загалом велик! коливання швидкостi виру можуть призводити до значних змш у виробництвi електроенергп, та усклад-нити планування роботи i стабшьшсть електромереж1. Тому виникае необxiднiсть у дослвдженш вiтрового потен-цiалу для конкретноï мiсцевостi, та визначеннi потужносп вiтроустановок.
Нажаль, теоретичний аналiз лператури [4-7] та практичний досввд сввдчать, що отриманi ввд метеостанцiй Украши данi про середньорiчнi швидкостi виру часто не можуть служити надшною основою для прогнозу вироб-ництва електроенергп через вiтроенергетичнi установки, осшльки ïxня похибка зазвичай коливаеться вщ 40% до 70%. Тому для виршення цiеï проблеми необх1дно виршити наступнi задачi:
- зiбрати дан вiдносно вiтровиx швидкостей та напрямшв;
- проаналiзувати енергетичний потенцiал енергй вiтру регiону, що дослiджуеться;
- побудувати графiки залежностi швидкостi виру;
- змоделювати роботу вiтроустановки, для репону, що дослiджуеться.
Вирiшення цих задач передбачае наявшсть точних даних щодо потенцiалу вiтроенергiï в конкретнш мюце-востi, та е важливим для визначення ефективних стратегiй використання цього джерела енергiï у контексп поточ-них енергетичних вимог.
Формулювання мети дослiдження
Мета даного дослвдження полягае у докладному аналiзi та розглядi можливостей впровадження впроенерге-тики в Кiровоградськiй областi для потреб фермерських господарств.
Викладення основного матер1алу досл1дження
Для визначення можливого потенщалу ввдновлювальних джерел за енергетичними потоками необхщно знати к1льк1сть енергй, що генеруе вироенергетична установка (ВЕУ) [5, 6]. Для цього потрiбно мати шформацш щодо енергетичного потенцiалу енергй' виру в мюцевосп, де розташоване фермерське господарство.
Для подальших дослвджень, було взято фермерське господарство розташоване у в Юровоградському регiонi, центральноï частини Украши.
В роботi [5] наведено результата дослщжень енергетичного потенщалу вiтровоï енергiï для Кiровоградського репону, та визначено iмовiрнiсний розподiл швидкосп вiтру. Однак в нашому випадку цю iнформацiю немож-ливо використати, оскшьки нам необxiдна iнформацiя про середньодобовий енергетичний потенщал швидкостi виру, а при дослвдженнях в [5] використано данi зi швидкостi виру не за всю добу, а лише взято 6 значень часу (через кожш 4 години).
Тому виникла необхщшсть у проведеннi додаткових експериментальних дослвджень з вимiрювання швидкосп вiтру. В якостi приладу для вимiрювання швидкостi вiтру найчастiше використовують анемометр.
Найбiльш важливi загальнi фактори [5, 6, 7], що впливають на точнiсть оцiнки енергiï виру е: густина атмос-фери; висота розташування анемометру; вплив мiкрорельефу мюцевосп; вертикальна екстраполяцiя вiтру. Вирiшення поставленоï задачi вiдбувалось наступним чином.
1. 36ip даних eimpoeux швидкостей та напрямшв. В нашому випадку для вимiрювання швидкосп виру було використано цифрову погодну метеостанцiю «Vantage Pro2TM» (виробник Davis Instruments Corp., Калiфорнiя, США). Для дослiджень було використано даш зi швидкостi вiтру за 2021 рж. Анемометр встановлено на висоп 10 м.
В подальшому за допомогою методики [5] було оброблено статистичш данi та визначено середньодобовий впроенергетичний потенцiал в Юровоградському регiонi.
2. Побудова гpафiкiв залежнoсmi швuдкoсmi eimpy. Використавши накопичеш статистичш даш, за допомогою програмного пакету Microsoft Excel було визначено середньодобову швидшсть виру в Юровоградському регюш за сезонами року.
З даного графша видно, що максимальний вiтроенергетичний потенцiал в Кiровоградському регюш стано-вить: взимку - близько 4,5 м/с, весною - майже 5,7 м/с, влпку та восени - близько 5 м/с.
Отримаш даш будуть використанi для визначення потужносп ВЕУ та моделювання ïï роботи.
3. Моделювання роботи втроустановки. Техшчш характеристики ВЕУ, як1 наводяться виробниками, не завжди дають змогу визначити к1льк1сть електроенергiï, яку буде генерувати ВЕУ, особливо в умовах стохастич-ного характеру змши вирового потоку. Тому виникае необxiднiсть розрахувати показники роботи конкретноï ВЕУ з урахуванням метеорологiчниx умов конкретноï мюцевосп.
ш
■и 3
Ч
I 2
8 9 10 11 19 „,
12 13 14 15 16
години 17 18 19 20 21 „
21 22 23
24
Рис. 1. Середньодобова швидккть в^ру за сезонами року
Для забезпечення енергш в1д ВЕУ використовуеться WE-10000. Основш техшчш характеристики ще! установки наведеш в табл. 1.
В джерелах [4, 5] запропоновано методику визначення основних показнишв роботи горизонтально-осьово! ВЕУ Скористаемося даною методикою.
Таблиця 1
Техшчш характеристики ВЕУ WЕ - 10000
б
5
Основш характеристики
Номшальна погужнiсгь, Вт 10000
Номшальна напруга, В 240
Д1аметр в1троколеса, м 5,6
Номшальна кiлькiсгь обергiв, об. / хв. 190
Юлькють лопатей, шт. 3
Рекомендована висота щогли, м 12-21
Коефщент використання енерги в1тру 0,45
ККД генератора 0,85
Робочий д1апазон швидкостей
Стартова, м / с 2
Номшальна, м / с 12
Максимальна, м / с 60
Порядок розрахунку наступний.
1. Визначення швидкосп виру на висот1 головки ВЕУ
Зазвичай головки ВЕУ, розташоваш на висот1 ввд 5 до 50 м [5]. Збшьшення енергетичного потенщалу з висо-тою пояснюеться зростанням швидкосп виру, яка в приземному шар1 зм1нюеться за степеневим законом.
V;
V {ь
(1)
де а - безрозм1рний коефщент степеш, величина якого залежить в1д швидкосп виру, стшкосп атмосфери та шорсткосп поверхш
З [5] в1домо, що для Юровоградського репону а = 0,2, стшкосп атмосфери та шорсткосп поверхш. Зпдно даних виробника ВЕУ (див. табл. 1) висота щогли дано! установки знаходиться в межах в1д 12 м до 21 м. При розрахунку будемо вважати, що головка ВЕУ розташована на висот1 щогли h = 17 м. За допомогою виразу (1) було розраховано швидкосп виру на висоп щогли ВЕУ, наведеш в табл. 2.
Порiвняльна характеристика швидкост виру на рiзних висотах
Таблиця 2
Швидкiсть в1тру V, м/с
h=10 м 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
h=17 м 0 1,11 2,22 3,34 4,45 5,56 6,7 7,8 8,9 10 11,1 12,2 13,3 14,5
В подальших розрахунках будемо використовувати саме швидшсть виру на висот1 щогли h = 17 м. 2. Визначення енергетичного потенщалу впрового потоку. Енергетичний потенщал визначаеться зпдно виразу:
1 3 N (V) = 2-р-У3,
(2)
де р - густина повиря, кг/м3; V- швидшсть виру, м/с. В середньому густина повиря становить р = 1,3 кг/м3, але вона ввдчутно залежить в1д температури та тиску.
Було отримано залежшсть енергетичного потенщалу впрового потоку ^У) ввд швидкосп виру V, представлена на рис. 1.
Визначення потужносп потоку РП, який проходить за 1 с через поперечний перер1з, площею F. Вона визначаеться за допомогою формули [5]:
,3
, (3)
РП =
р-F -V3
2
де F = 24,6 м2 - площа поверхш, яку обмиае ВК з рад1усом R, м2. 3. Визначення потужносп горизонтально-осьово! ВЕУ
Потужшсть горизонтально-осьово! ВЕУ розраховують за наступною формулою [5]:
РВЕУ = \-Л-Р'^-Р 'У3 , де п - ККД генератора; 4 - коефщент використання енергп виру.
На рис. 2 наведено залежносп потужносп впрового потоку РП та потужносп РВеУ в1д швидкосп виру V.
(4)
Рис. 2. Потужност вiтрового потоку та вггроустановки в1д швидкостi вiтру в Шровоградському регiонi
Кр1м того, для моделювання роботи ВЕУ необхвдно знати середньодобову потужшсть установки. На рис. 3 наведено залежшсть середньодобово! потужносп ВЕУ WЕ-10000 за сезонами року в умовах Юровоградського регюну.
З вигляду залежностей, наведених на рис. 3, можна сказати, що в умовах Юровоградського регюну, де середня швидшсть виру становить майже 5 м/с, максимальна середньодобова потужшсть ВЕУ WE-10000 становить: взимку - близько 4 кВт, весною - майже 5,3 кВт, влику та восени - приблизно 4,6 кВт. При цьому сумарна потужшсть ВЕУ WE-10000 становить: 85 кВт зимою, 95 кВт весною, 74 кВт ллом та 86 кВт восени.
Отримаш значення дозволять ефективно використовувати вировий потенщал Юровоградщини, та розробити штелектуальш системи управлшня енерпею. А при встановленш зв'язк1в м1ж електроспоживанням та електро-постачанням фермерського господарства впровадити ефективш системи !х енергозабезпечення.
Години
19 20
21 22
23 24
Рис. 3. Залежшсть потужносп ВЕУ WE-10000 ввд швидкост виру в Шровоградському perioHi за сезонами року
Висновки
Отримаш iMOBipHiCHi характеристики швидкостi виру та електричнi потужносл ВЕУ WE-10000 для кожного сезону року в Юровоградському perioHi, можна використати для прогнозування постачання електроенергп в аграрному сектор^ допомагаючи управляти ресурсами бшьш ефективно та eкoнoмiчнo. Загалом, проведений аналiз показав, що гeoгpафiчнe положення та клiматичнi умови Юровоградського peгioну створюють сприят-ливий фундамент для розвитку вiтpoeнepгeтики. А застосування вiтpoгeнepатopiв може не лише забезпечити стале та ефективне джерело енергй для eнepгoнeзалeжнoстi фермерських господарств, але й сприяти eкoлoгiчнo чистому виробництву.
Список використаноТ лiтератури
1. Про альтернативш джерела енергй: Закон Укра!ни № 555-IV ввд 20.02.2003 року ^з змiнами, внесеними зпдно iз Законом № 3220-IX ввд 30.06.2023/_Верховна Рада Укра1'ни. BidoMocmi Верховно'! Ради Украши. 2009, № 13. URL: https://zakon.rada.gov.Ua/laws/show/555-15#Text
2. Енергетична стратепя Укра1ни на пepioд до 2035 року «Безпека, eнepгoeфeктивнiсть, конкурентоспромож-шсть»._/_Верховна Рада Украши URL: http://zakon.rada.gov.ua/laws/file/text/58/f469391n10.pdf
3. Правила улаштування електроустановок. - Видання офщшне. Мiнeнepгoвугiлля Укра1'ни. Х: Видавництво «Форт», 2017. 760 с.
4. Легеза О.Н., Жесан Р. В., Голик О. П. Аналiз каналiв пepeдачi шформацп для iнтeлeктуальних систем енер-гопостачання майбутнього. Перспективт напрямки розвитку сучасних тформацтних систем та технологш: матepiали Всеукрашсько! науково-практично! студентсько! конференций Кропивницький, 2021. С. 40.
5. Енергозбереження та використання поновлюваних джерел енергй. Частина I: навчальний поабник для здо-бувачiв oсвiти за спещальшстю 141 «Електроенергетика, eлeктpoтeхнiка та електромехашка» / Уклад.: О.П. Голик, Р.В. Жесан, I.B. Волков та ш. Кропивницький : Видавець Лисенко В.Ф., 2020. 192 с.
6. Яснолоб I.O., Чайка Т.О., Горб О.О., Радюнова Я.В. Концептуальш засади ефективного функцюнування енергетично незалежних сшьських тepитopiй. Економiка АПК. 2019. № 3. С. 115-122.
7. Новггш енергетичш технологи та !х вплив на функцюнування систем енергопостачання : аналiт. доп. / О. М. Суходоля. Ки1'в : Н1СД, 2022. 36 с. URL : https://doi.org/10.53679/NISS-analytrep.2022.17
References
1. Pro alternatyvni dzherela enerhii :Zakon Ukrainy № 555-IV vid 20.02.2003 roku (iz zminamy, vnesenymy zghidno iz Zakonom № 3220-IX vid 30.06.2023/ Verkhovna Rada Ukrainy. Vidomosti Verkhovnoi Rady Ukrainy. 2009, № 13. [About alternative energy sources: Law of Ukraine № 555-IV 20.02.2003 (with changes introduced in accordance with
Law No. 3220-IX dated 06.30.2023 - Bulletin of Verkhovna Rada of Ukraine)] URL: https://zakon.rada.gov.ua/laws/ show/555-15#Text [in Ukrainian]
2. Enerhetychna stratehiia Ukrainy na period do 2035 roku «Bezpeka, enerhoefektyvnist, konkurentospromozhnist»[ Energy strategy of Ukraine for the period until 2035 «Security, energy efficiency, competitiveness»]/.Verkhovna Rada Ukrainy URL: http://zakon.rada.gov.ua/laws/file/text/58/f469391n10.pdf [in Ukrainian]
3. Pravyla ulashtuvannia elektroustanovok. (2017). Vydannia ofitsiine. Minenerhovuhillia Ukrainy. Kh: Vydavnytstvo «Fort» [Rules for arranging electrical installations]. (2017). The publication is official. Ministry of Energy and Coal of Ukraine. Kh: Fort Publishing House. [in Ukrainian]
4. Leheza, O.N., Zhesan, R. V., Holyk, O. P. (2021) Analiz kanaliv peredachi informatsii dlia intelektualnykh system enerhopostachannia maibutnoho.[ Analysis of information transmission channels for intelligent energy supply systems of the future]. Proceedings from «Perspektyvni napriamky rozvytku suchasnykh informatsiinykh system ta tekhnolohii: materialy Vseukrainskoi naukovo-praktychnoi studentskoi konferentsii» (p. 40). Kropyvnytskyi: CNTU [in Ukrainian]
5. Holyk, O.P., Zhesan, R.V., Volkov, I.V. (2020). Enerhozberezhennia ta vykorystannia ponovliuvanykh dzherel enerhii. [Energy conservation and use of renewable energy sources] Chastyna I: navchalnyi posibnyk dlia zdobuvachiv osvity za spetsialnistiu 141 «Elektroenerhetyka, elektrotekhnika ta elektromekhanika». Kropyvnytskyi : Vydavets Lysenko V.F. [in Ukrainian]
6. Yasnolob, I.O., Chaika, T.O., Horb, O.O., Radionova, Ya.V. (2019). Kontseptualni zasady efektyvnoho funktsionuvannia enerhetychno nezalezhnykh silskykh terytorii.[ Conceptual principles of effective functioning of energy-independent rural areas] EkonomikaAPK. № 3.(pp. 115-122). Retrieved from https://doi.org/10.32317/2221-105 5.201903115 [in Ukrainian]
7. Novitni enerhetychni tekhnolohii ta yikh vplyv na funktsionuvannia system enerhopostachannia [The latest energy technologies and their impact on the functioning of energy supply systems].(2022). Kyiv: NISD. Retrieved from https:// doi.org/10.53679/NISS-analytrep.2022.17 [in Ukrainian]
