ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В СТРАНАХ СОДРУЖЕСТВА НЕЗАВИСИМЫХ ГОСУДАРСТВ

Пенджиев Ахмет Мырадович

ЭКОЛОГИЯ И ЭНЕРГОРЕСУРСЫ

ПУСТЫНЬ

ECOLOGY AND POWER RESOURCES

OF DESERTS

Статья поступила в редакцию 25.12.12. Ред. рег. № 1489 The article has entered in publishing office 25.12.12. Ed. reg. No. 1489

УДК 621.383; 621.472

ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ В СТРАНАХ СОДРУЖЕСТВА НЕЗАВИСЕМЫХ ГОСУДАРСТВ

А.М. Пенджиев

Туркменский государственный архитектурно-строительный институт Туркменистан, 744032, Ашхабат-32, м. Бекрова, Солнечный 4/1 Тел.: +(99312)37-09-50, e-mail: ampenjiev@rambler.ru

Заключение совета рецензентов 10.01.13 Заключение совета экспертов 15.01.13 Принято к публикации 15.01.13

В статье рассмотрены результаты аналитического обзора и методы расчета климатологических характеристик ветровой обстановки в регионах СНГ. Представлены карты среднегодовой удельной мощности и коэффициенты использования установленной мощности (средняя мощность в % от номинальной мощности) ветровой энергии для стран СНГ. Приведена карта перспективных районов размещения ветровой энергетической станции на территории Российской Федерации. Рассчитаны экоэнергетические ресурсы: валовой, технические, экономические и экологические потенциалы ветровой энергии.

Ключевые слова: экоэнергетика; экология; валовой, технический, экономический, экологический потенциал; ветровая энергетика; антропогенные факторы; Содружество Независимых Государств.

ECOENERGY RESOURCES OF WIND ENERGY IN COMMONWEALTH OF

INDEPENDENT STATES

A.M. Pendzhiev

Turkmen State Institute of Architecture and Civil Engineering 4/1 Solar, m. Bekrova, Ashkhabad-32, 744032, Turkmenistan Tel.: +(99312) 37-09-50, e-mail: ampenjiev@rambler.ru

Referred 10.01.13 Expertise 15.01.13 Accepted 15.01.13

The paper considers results of analytical review and calculation methods of climate characteristics of wind conditions in CIS regions. Maps of mean annual specific power and operating ratios of the established capacity (average capacity in % from rated power) of wind energy for CIS countries are presented. A map of perspective areas for wind power stations location on the territories of Russian Federation is presented. Ecoenergy resources: gross, technical, economic and ecological potentials of wind energy are calculated.

Keywords: ecoenergy; ecology; gross, technical, economic, ecological potential; wind power; anthropogenic factors, Commonwealth of Independent States.

Введение

Актуальность проблемы. Сегодня на повестке дня - задача формирования глобальной системы экологической безопасности, остро возникающая с изменением климата. Способ его прогнозировать, упреждать и оперативно реагировать на него - одна из актуальных проблем мирового сообщества.

На 66, 67-ой сессиях Генеральной Ассамблеи ООН и Саммите по устойчивому развитию «Рио-20» получила импульс инициатива Президента Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедова о формировании действенных механизмов в сфере изменения климата. Продвигая эту идею,

Туркменистан считает целесообразным создать Региональный Центр по технологиям, связанным с изменением климата в Центральной Азии и Каспийском бассейне. Этот центр сыграет ведущую роль в налаживании постоянно действующих механизмов международного общения для обеспечения различных аспектов региональной проблематики и выработки по ним консенсусных решений, в том числе по вопросам экологии и охраны окружающей среды. Туркменистан заявляет о своей готовности предоставить мировому сообществу все необходимые политико-дипломатические, организационные и технические условия для этой деятельности.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Об актуальности экологической проблемы лидер нации еще раз подчеркнул, выступая в Ашхабаде 5 декабря 2012 г. на заседании Совета Глав Содружества Независимых Государств. Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов сказал: «Как известно, одной из важнейших проблем современного глобального развития является экология, которая была в числе приоритетных пунктов в повестке дня международного сотрудничества стран СНГ. ... консолидация усилий наших стран особенно важна в свете объявления предстоящего 2013 года в СНГ Годом экологической культуры и охраны окружающей среды. У каждого из наших государств есть позитивная практика в реализации экологических и природоохранных программ. Убежден, что взаимовыгодный обмен и эффективное применение накопленного опыта открывают новые возможности для дальнейшего сотрудничества». (газета «Нейтральный

Туркменистан» от 06.12.2012 г.) .

Внешняя политика Туркменистана: экологический аспект международного

сотрудничества. Активная и последовательная международная деятельность Туркменистана в поиске путей решения острых вопросов и вызовов современности является одной из важнейших компонентов его внешнеполитических приоритетов и ориентиров. Среди стратегически важных задач, стоящих в повестке дня современного развития, особую актуальность приобретают проблемы экологии и охраны окружающей среды. Туркменистан уделяет большое внимание вопросам охраны природы, изменения климата, рационального использования водных ресурсов и борьбы с опустыниванием. При этом, будучи сторонником консолидированного и системного подхода к одной из наиболее приоритетных задач современности как обеспечение экологической безопасности, Туркменистан строит свою внешнеполитическую деятельность в рамках регионального и глобального сотрудничества. Следует отметить, что целостное и системное восприятие проблем межрегионального и общемирового значения является весьма важным фактором, определяющим эффективность действий Туркменистана в этом направлении.

В этом направлении Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов выступил с рядом международных инициатив, нацеленных на создание новых форм сотрудничества в экологической сфере с Организацией Объеденных Наций. Как известно, в приоритетных позициях Туркменистана на 66-й сессии Генеральной Ассамблеи нашли свое отражение подходы нашего государства к решению проблем экологического и природоохранного характера.

Туркменистан является участником ряда основополагающих Конвенций ООН по вопросам экологической безопасности и придерживается активной позиции в вопросах экологии, охраны

природы и окружающей среды. К ним относится: Рамочная Конвенция ООН об изменении климата (г. Нью-Йорк, 9 мая 1992 г.); Киотский протокол к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (г. Киото, 11 декабря 1997 г.); Конвенция о биологическом разнообразии (Рио-де-Жанейро, 05 июня 1992 г.); Венская Конвенция об охране озонового слоя, Монреальский Протокол по веществам, разрушающим озоновый слой и поправки к Монреальскому Протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой (г. Вена, 18-22 марта 1985 г.); Конвенция ООН по борьбе с опустыниванием в тех странах, которые испытывают серьезную засуху и/или опустынивание, особенно в Африке (г. Париж, 17 июля 1994 г.); Базельская конвенция о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удалением (г. Базель, 22 марта 1989 г.); Конвенция о доступе к информации, участии общественности в процессе принятия решений и доступе к правосудию по вопросам, касающимся окружающей среды (г. Орхус, 25 июня 1998 г.); Рамочная Конвенция по защите морской среды Каспийского моря (г. Тегеран, 4 ноября 2003 г.); Ашхабадская Рамочная конвенция по охране окружающей среды для устойчивого развития Центральной Азии (г. Ашхабад, 22 ноября 2006 г.).

Экоэнергетика позволяет определить - где, когда, каких и сколько требуется экологически чистых установок по использованию местных энергоресурсов. С ее позиций каждая отрасль представляет собой энерготехнологическую систему, основными влияющими на нее факторами являются местные природные и хозяйственные условия. Использование местных энергоресурсов позволяет снизить потребность в ископаемом топливе, в отдельных случаях даже до 80 %. Однако инженерно-технические работники испытывают трудности в вопросах организации

энергосбережения, определения норм расхода энергии и разработки мероприятий, направленных на экономию энергии и смягчения экологической обстановки. Эти проблемы можно отнести и к использованию ветровой энергии в различных отраслях промышленности. Цель данной статьи заключается в оказании практической помощи в использовании энергии ветровых ресурсов в различных отраслях стран СНГ.

Ветер на Земле, как явление, имеет общее происхождение со световыми излучениями, процессами образования биомассы и многими другими явлениями, обусловленными потоком падающей солнечной энергии. Существует связь между всеми этими явлениями, которые носят сложный стохастический характер пространственно-временных корреляций и на протяжении истории Земли формируют климат в различных частях Земли, включая такие относительно устойчивые характеристики, как среднегодовая температура

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

окружающей среды, суммарный удельный поток солнечного излучения, распределение ветра по скоростям на различных высотах от земной поверхности, объем и воспроизведение биомассы в виде лесов и трав и многое другое.

Включение этих возобновляемых источников энергии человечеством в хозяйственный оборот приводит, строго говоря, к нарушению сложившегося за многие годы динамического равновесия между ними. Это означает также, что энергетические потенциалы данных источников являются зависимыми друг от друга и соответствуют некой, пока не созданной, теории единого потенциала свободной энергии Земли и его распределения по поверхности. Вырабатываемая на данном этапе исследований независимая оценка экоэнергетических ресурсов: валового, технического, экономического, экологического потенциалов ветровой энергии в регионах СНГ, как и независимые оценки потенциалов солнечной энергии или биомассы, имеют сугубо качественный, ориентировочный характер.

Учитывая вышеизложенное, в статье рассматриваются возможности партнерства, использования ветроэнергетического потенциала при решении в контексте партнерства экоэнергетических проблеем совместно со странами СНГ и другими странами мира.

I. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕТРОВОЙ

ОБСТАНОВКИ В РЕГИОНАХ СНГ

Ветер на различных высотах в атмосфере Земли для каждой точки ее поверхности характеризуется его скоростью, которая, строго говоря, является случайной переменной в пространстве и времени, зависящей от многих факторов местности, сезона года и погодных условий. Все процессы, напрямую связанные с использованием текущего значения скорости ветра, в частности, производство электроэнергии в ветроэлектрических установках, имеют сложный характер, так что их характеристики обладают статистическим разбросом и неопределенностью средних ожидаемых значений. Поэтому на современном уровне исследований задача их оценки формируется как создание вероятностного описания случайного процесса посредством разбиения всего временного процесса на отдельные временные интервалы, в пределах каждого из которых можно использовать приближение стационарности, т. е. независимости всех определяемых параметров от времени. В качестве периода стационарности могут быть приняты различные временные интервалы с соответствующей точностью описания в зависимости от реальных условий случайного процесса. В частности, в некотором приближении можно считать процесс стационарным во всем

рассматриваемом промежутке времени, например, в течение года.

Ветроэнергетический кадастр. Для

систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе с целью ее эффективного энергетического использования, как правило, разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность

аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также целесообразные параметры и режимы работы ветроэнергетических установок.

Основными характеристиками

ветроэнергетического кадастра являются:

среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;

повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей; максимальная скорость ветра; распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

удельная мощность и удельная энергия ветра; ветроэнергетические ресурсы региона. Начиная с 50-х годов ХХ века в бывшем СССР, в том числе и в Туркменистане, были развернуты широкие работы по созданию ветроэнергетических кадастров [2-8] хотя при этом северные и восточные районы страны фактически не рассматривались. Основным источником исходных данных для разработки ветроэнергетического кадастра является классификация по единой методике мест наблюдения по степени их открытости, и охватываться должны периоды в десятки лет.

За последние 20-30 лет произошло качественное изменение уровня этих наблюдений. С помощью измерений на высотных метеорологических и телевизионных мачтах получались сведения о вертикальном профиле скоростей в приземном слое высотой до 500 м, увеличивалась частота регулярного получения информации о скорости и направлении ветра на опорной сети метеорологических станций (с 4 до 8 раз в сутки), а некоторыми метеостанциями и отдельными заинтересованными организациями ведутся непрерывные наблюдения в автоматическом режиме. Эти измерения по длительности, на правило, уступают многолетним наблюдениям

гидрометеослужбы, но они особенно важны при измерении быстропеременных процессов, включая порывы ветра и его максимальные пульсации, а также при оценке рабочих периодов и периодов простоя ветроустановок.

Средние скорости ветра. Основной характеристикой ветра, определяющей

интенсивность и эффективность использования его ветровой энергии, является его средняя скорость за определенный период времени, например, за сутки, месяц, год или несколько лет. Средняя скорость ветра представляется как среднеарифметическое

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

значение, полученное из ряда замеров скорости, сделанных через равные интервалы времени в течение заданного периода. Если обозначить как Уук1 случайное значение скорости, полученное в момент времени, определяющееся следующим набором параметров: ■ - порядковый номер года, ] -порядковый номер месяца, к - порядковый номер суток, 1 - порядковый номер измерения в сутках, то, например, усреднение скорости по всем значениям 1 (1=1, 2, ..., Ь) дает среднесуточное значение скорости в 1-м году, ]-м месяце, к-х сутках:

У)«, = -1XV«. (1)

1=1

По этой формуле можно производить усреднение скорости по любому другому параметру I, ], к, или сразу по любой их комбинации и получать соответствующие средние скорости, например, среднемесячные, среднегодовые, среднемноголетние и в определенный месяц, и т. д. В дальнейшем, если нет необходимости конкретизировать временной момент измерения, будем обозначать полное число всех учитываемых измерений как п, порядковый номер измерения как ■ (■ = 1, 2, ..., п) и соответствующее случайное значение скорости как V, так что общая формула для определения всех искомых средних значений скорости приобретет вид

У = п . (2)

1=1

Для получения достоверных данных о средних скоростях ветра, определяющих его энергетическую способность, возникает вопрос о

репрезентативности, представительности выборки случайных значений скорости, т.е. о необходимом объеме и длительности измерений. В общем случае с увеличением объема получаемых данных точность и достоверность вычисляемых средних значений повышаются. Для численной оценки используется коэффициент вариации средних скоростей, которых

определяется выражением

^ =§, (3)

где - среднеквадратичное отклонение (разброс) соответствующей средней скорости. Коэффициент вариации средних скоростей обычно падает при увеличении периода усреднения, т.е., например, среднемноголетняя скорость имеет меньший разброс, чем многолетняя среднемесячная скорость.

При использовании данных по хронологическим изменениям среднегодовых скоростей ветра на метеостанциях территории стран СНГ, следует учесть, что для определения средней многолетней скорости ветра и выявления вариаций среднегодовой

скорости от года к году достаточно ограничиться рассмотрением 10-летних объемов выборки наблюдений. Если использование 5-летних объемов выборки давало отклонение в средней скорости 57%, то рост длительности выборки с 10 до 15-20 лет существенного влияния не оказывает и способствует уточнению не более чем на 2-3%. В [2, 5, 8, 10-12] представлены также результаты обработки 10-летних объемов наблюдений по 47 метеостанция Туркменистана, из которых следует, что среднеквадратичное отклонение среднегодовой скорости повсеместно примерно одинаково и составляет в большинстве случаев 0.2-0.5 м/с. Коэффициент вариации среднегодовых скоростей ветра в прибрежных районах значительно ниже, чем в районах, удаленных от береговой линии. Например, на открытом побережье Каспийского моря он составляет в среднем 5,2 %, в глубине заливов Каспийского моря и на побережье Каспийского моря - в среднем 6,3 %, а во внутриматериковых пунктах он увеличивается до 7,7 %.

Классы открытости местности и приведенная средняя скорость. При использовании данных метеонаблюдений и средних скоростей ветра следует учитывать, что они соответствуют конкретным рельефным и ландшафтным условиям в районе метеостанции и определенной высоте над поверхностью Земли (высоте флюгера). Для разных станций эти условия могут значительно отличаться. Поэтому представляется целесообразным приведение средней многолетней скорости ветра к сравнимым условиям по открытости и равности местности.

Вопрос об учете условий местности рассматривался во многих работах [2, 7-15], что привело к появлению различных классификаций открытости местности, наиболее известными из которых являются классификации по Милевскому [7-15], Подтягину [5-11] и Гриневичу. При определенном различии они обладают общим свойством - линейной зависимостью приведенной среднегодовой скорости <УП> от номера (коэффициента) класса Ко, отн. ед., [5-11]:

(Уп) = а • К о, (4)

где а - постоянная, имеющая размерность скорости и отличающая одну классификацию от другой. Это позволяет установить их примерное соответствие друг другу. Однако более совершенной и более доступной представляется классификация по Милевскому. В отличие от двух других она учитывает через величину коэффициента Ко не только формулу рельефа и наличие затеняющих элементов, но и близость водных поверхностей. Классификация Милевского используется государственной гидрометеослужбой для описания характеристик открытости местности всех

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

измерения действительной скорости ветра (на высоте флюгера) посредством введения средневзвешенного коэффициента Кф, учитывающего розу ветров по восьми направлениям (румбам)

метеостанций страны в справочниках [5-11]. В таблице 1 [5] приведены коэффициенты Ко и среднегодовые скорости ветра V по классификации Милевского.

В работе [11] помимо классификации открытости местности посредством введения коэффициента Ко используется классификация фактической открытости метеостанции на высоте точки

Таблица 1

Коэффициенты Ко, отн. ед., и среднегодовые скорости (Vn), м/с, по классификации Милевского

Table 1

Factors Ko, rel. units, and mean annual velocities (Vn), m/s, on Milevsky's classification

(V) = A • K Ф •

(5)

Форма рельефа

А Б В

Степень открытости флюгера Выпуклая Плоская Вогнутая

Ко <Vn> Ко <Vn> Ко <Vn>

Открытое побережье около водных поверхностей:

- океана или открытого (внешнего) моря 12 7,0 11 5,5 10 4,3

- закрытого (внутреннего) моря 11 5,2 10 4,3 9 4,9

- залива или большого озера 10 4,6 9 4,7 8 3,1

- большой реки 9 3,6 8 3,2 7 2,7

Вдали от водных поверхностей. Флюгер выше элементов защищенности:

- нет никаких элементов защищенности 8 4,1 7 3,6 6 2,9

- отдельные элементы защищенности 7 3,6 6 3,4 5 2,5

- сплошные элементы защищенности 6 3,3 5 2,9 4 2,1

Флюгер ниже элементов защищенности:

- сплошные элементы защищенности 4 2,7 4 2,5 4 2,2

Поскольку от румба к румбу класс открытости метеостанции может изменяться в широких пределах, то представляется целесообразным использовать информацию о повторяемости ветра, т.е. о части времени, которая проходится на соответствующее направление ветра

K,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

= X к

(6)

где К01 - класс открытости метеостанции по 1-му направлению (по Милевскому), т1 - повторяемость направления ветра 1-го румба.

Из 4 и 5 формул следует связь между приведенной средней скоростью ветра и измеренной средней скоростью на высоте флюгера:

Ю = £ •< v) •

(7)

скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью Земли. Обычно регистрирующие приборы на метеостанциях располагаются на высотах 9-20 м.

Теоретическое исследование обтекания плоской ровной поверхности стационарным потоком газа дает следующую зависимость скорости в потоке на высоте И от поверхности [5, 11]:

v(h) = a • (ln h - ln ho),

(8)

В [11] представлены результаты расчета отношения Ко/Кф для метеостанции стран СНГ. Соответствующие значения среднемноголетней скорости ветра V, м/с, в местах расположения метеостанций на высоте 10 м от поверхности Земли нанесены на карту и представлены на рис. 1. Характерно, что скорости ветра заметно снижаются по мере удаления от берегов океана и моря.

Зависимость средней скорости ветра от высоты. При установившемся ветровом потоке

где а - постоянная, определяющая общую интенсивность потока; Ь0 - величина, определяющая масштаб шероховатости поверхности, причем эта формула пригодна при условии И>>Ь0. С другой стороны, стремление у(И) к бесконечности при И^-да есть следствие использования использованного в теории приближения бесконечного размера обтекаемой поверхности. Таким образом, получаем соотношение для скоростей на высотах И и И2

т=^2)*|щ, (9)

из которого, в частности, следует, что при уменьшении шероховатости поверхности профиль скоростей становится менее резким.

Другое, часто используемое выражение для вертикального профиля скоростей представляется эмпирической зависимостью степенного вида [5-7, 112]:

i = 1

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

v(hi) = v(h2) •(£) От . (10)

В отечественных исследованиях 50-60-х годов при расчете вертикального профиля среднегодовых значений скоростей (v(h1) и (v(h2)) показатель степени m принимался равным 0.2, а при составлении атласа ветровой энергии США принималось значение m=1/7 [2]. Последующие исследования выявили наличие зависимости

Коэффициент возрастания средней скорости ве!

Factor of wind average velocity increase wil

показателя степени для средних скоростей от времени года. В таблице 2 [2, 11, 12] приведены отношения средних скоростей на различных высотах к средней скорости на высоте 10 м и значения показателя т для различных сезонов года, справедливые для условий равнинной местности: степь, горы, пустыня.

Таблица 2

а с высотой* v(h2)/v(h1) и показатель степени m

Table 2

height* v(h2)/v(h1) and index of exponent m

Сезон Высота, м m

10 20 40 60 80 100

Зима 1 1,12 1,26 1,35 1,43 1,50 0,17

Весна 1 1,17 1,36 1,50 1,59 1,66 0,22

Лето 1 1,18 1,40 1,55 1,67 1,76 0,24

Осень 1 1,12 1,26 1,35 1,43 1,50 0,17

Год 1 1,15 1,32 1,44 1,53 1,60 0,20

*Для побережий озер и морей, а также верхних частей склонов десятичные знаки коэффициента следует уменьшить в 1,5 раза.

Наличие теоретической зависимости (8) со вполне физически ясным параметром масштаба шероховатости земной поверхности Ь0 позволяет объяснить показанное в таблице 2 сезонное изменение эмпирического параметра т, а также его уменьшение для побережий озер и морей. Действительно, зимой и осенью из-за наличия снежного покрова и увеличения влажности почвы от дождей размер шероховатости земной поверхности меньше, чем весной и летом, когда почва просыхает, и на ней появляются неровности и растительный покров, задерживающий ветер. Поскольку с уменьшением размера шероховатости уменьшается крутизна вертикального профиля скоростей, то это соответствует уменьшению параметра т. Аналогично для побережий, из-за гладкости поверхности озер и морей масштаб шероховатости значительно меньше, чем для удаленных от них участков земли и, соответственно, меньше значение

т. Влияние шероховатости земной поверхности на вертикальный профиль скоростей детально изучалось в зарубежных работах, в том числе и с использованием выражения (8), причем созданы довольно полные таблицы профилей в зависимости от характеристик поверхности и ее сопротивления ветру [2, 4, 11]. В отечественной литературе связь параметров ветра с шероховатостью земной поверхности исследовалась мало.

В то же время было выяснено, что показатель т является не только функцией времени, географических и климатических условий местности, но и довольно резкой функцией самой скорости. В табл. 3 [5, 11] представлена среднестатистическая зависимость показателя т от скорости ветра V, м/с, рекомендуемая авторами для использования в расчетах.

Среднестатистическая зависимость показателя m от скорости ветра v, м / с Average dependence of indicator m on wind speed v, km/s

Таблица 3 Table 3

v, м/с 1,5 3,5 5,5 7,5 9,5 11,5 13,5 15,5 17,5 20,5 24,5 28,5 34,5 >40

m(v) 0,42 0,31 0,25 0,21 0,18 0,16 0,15 0,14 0,13 0,13 0,13 0,12 0,12 0,12

Таким образом, выражение (9), будучи простым по формуле, в действительности представляет весьма сложную и неявную зависимость скорости от высоты. Кроме того, для неоднородного рельефа показатель т оказывается различным для различных направлений (румбов), так что для проведения достаточно точных расчетов требуется определение

эмпирических значений т как комбинаций значений по отдельным румбам.

Временная зависимость средней скорости ветра. Помимо представленного выше закономерного изменения параметра случайной величины - средней скорости ветра в зависимости от открытости местности и высоты над поверхностью Земли, существует также закономерное временное

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

изменение средней скорости ветра, обусловленное определенным и довольно устойчивым характером изменения погодных и климатических условий в течение года. Примером является отмеченное в предыдущем разделе сезонное изменение показателя т вертикального профиля скорости ветра.

Важными составляющими ветроэнергетического кадастра являются нижеследующие временные характеристики скорости ветра.

Суточный ход средней скорости ветра - это изменение скорости ветра в течение суток, усредненное по всем суткам в определенном месяце и по многолетним наблюдениям. Согласно представленному выше определению,

среднемноголетнее значение скорости ветра в один и тот же 1-й момент (час) измерения для всех суток в _]-м месяце <у> равно

а=-к xxv

ijkí?

си)

где К - число дней в месяце, I - число лет наблюдений. Таким образом, суточный ход средней скорости ветра представляет зависимость <у>д от момента измерения 1, часа, для определенного ]-го месяца.

Годовой ход средней скорости ветра - это изменение в течение года многолетней среднемесячной скорости ветра, которая, в соответствии с определением (1) для _|-го месяца, равна <у>р

Я = 1X я

где <v>ji - средняя скорость в месяце j года i:

(12)

Я = Kb XX v

ijkí '

(12а)

где Ь - число измерений в течение дня. Таким образом, годовой ход средней скорости ветра представляет зависимость <у> от порядкового номера) месяца в году [2, 11, 12].

Рассмотренные характеристики временной зависимости средней скорости ветра имеют важное значение для оценки не только ветроэнергетического потенциала определенной местности, но и эффективности его использования за счет учета степени согласованности графика поступления ветровой энергии с графиком энергетической нагрузки потребителей.

В частности, для северных районов побережья морей и океанов как суточный, так и годовой ход среднемесячной скорости ветра на высоте 10-11 м, оказываются весьма благоприятными для использования ветроэнергетических установок как в автономном режиме, так и в сочетании с гидроэлектрическими установками. Максимум среднемесячных скоростей приходится на холодное время года и совпадает с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии; одновременно он совпадает с минимумом годового стока рек, т.е. позволяет компенсировать сезонный дефицит гидроэнергии. Суточное изменение средней скорости значительно проявляется в летнее время, причем скорости в дневные часы в среднем на 12 м/с выше, чем ночью, что является благоприятным для эффективного использования ветра, поскольку максимум потребления энергии приходится также на дневное время [2, 11, 12].

Например, для южных регионов Туркменистана профиль годового хода средней скорости ветра [2] качественно соответствует годовому ходу средней скорости в северных регионах; данные по годовому ходу среднемесячных значений скорости ветра на высоте 10 м для Геленджика с соответствующими среднегодовыми значениями 3,2 и 4,5 м/с.

Таблица 4

Годовой ход среднемесячной скорости ветра на высоте 10 м для острова Кызыл-Су на побережье

Каспийского моря <v>ji м / с

Table 4

Annual course of monthly average wind speed at height of 10 m for island Kyzyl-the-Sou at coast of

Caspian Sea <v> jl} m/s

i=i

Месяц, j

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

<vr> 3,9 4,0 4,1 2,7 2,4 2,5 2,9 3,0 3,4 3,5 3,2 3,9

<Vh> 5,5 5,5 5,8 4,3 3,7 3,5 3,5 3,9 4,4 4,8 4,9 5,5

Характеристики распределения скорости ветра. Существует два способа описания характеристик распределения случайной величины, которой в данном случае является скорость ветра на некоторой высоте.

Один из них основан на разбиении всей области случайных значений скорости на интервалы А у1

вблизи значения у1 (1=1, 2, ..., п), которые обычно соответствуют середине соответствующего интервала, непосредственном экспериментальном получении выработки случайных значений скорости и определении повторяемости скорости ветра, т. е. относительной доли Ъ попадания скорости в каждый интервал А у1; она также называется

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

дифференциальной вероятностью появления скорости при этом соблюдается условие

(нормировки):

I tt = 1. (13)

, = 1

Повторяемость скорости ветра является одной из важнейших характеристик кадастра. Она показывает, какую часть времени в течение рассматриваемого периода ветер имел определенную скорость. Тем самым устанавливается энергетическая ценность ветра, оценивается целесообразность и эффективность его использования [2, 4, 11, 12].

Оценка средней скорости ветра (V) дается выражением:

V = • Г,. (14).

I=1

Аналогично вычисляется среднее значение любой функции скорости.

Интегральная вероятность определяется как вероятность того, что скорость ветра попадает в 1-й или более высокий интервал скоростей:

р. = 1 -I ^. (15).

,=1 ]=1

Условие нормировки [1, 2, 11] при этом выразится как Рх=1.

Другой способ описания характеристик скоростей ветра основан на поиске детерминированных модельных функций Б^)_1(У), описывающих распределение случайных значений скорости ветра V в соответствии со следующими связанными определениями:

Б^) - интегральная функция распределения, равная вероятности того, что скорость ветра больше значения V;

- дифференциальная функция распределения, равная плотности вероятности, т.е. отношению вероятности нахождения скорости в интервале между V и v+dv к ширине интервала

Из этих определений следует неравенство 1(У)>0 и условия нормировки функций распределения вероятностей:

F (0) = 1; ^ (да) = 0; да

1 / (V) ^ = ^ (0) - ^ (да) = 1. (16-18)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Среднее значение или математическое ожидание скорости ветра М[у] дается выражением:

да

М [V] = | V * / (v)dv. (20)

0

Аналогично рассчитывается среднее значение или математическое ожидание любой функции скорости.

Во многочисленных исследованиях были предложены различные типы функций распределения скоростей ветра, в том числе табулированные - Поморцева, Гринцевича, Гуллена и аналитические - Гриневича, Вейбулла, Рэлея. При этом было выявлено, что из простых аналогических распределений скоростей ветра наиболее точные результаты в диапазоне скоростей 4-20 м/с получаются при использовании

двухпараметрического распределения Вейбулла, дающегося выражениями:

Б^) = е-(у/с)к, (21)

/ (V) = $ • ($ )к-1 • ^/ с)к, (22)

где параметр с, имеющий размерность скорости, характеризует масштаб изменения функции распределения по оси скоростей, а параметр к характеризует крутизну распределения.

При этом, в частности, математическое ожидание Б-го начального момента скорости М^] в соответствии с (20) записывается:

М [V' ] = с' • Г (1 + '), (23)

где Г(х) - гамма-функция. С ростом к уменьшается разброс ожидаемых значений скорости, а ее Б-й начальный момент приближается к значению сБ.

Соответствие между экспериментальным распределением скорости и распределением Вейбулла. Соответствие между двумя представленными способами описания

распределения скоростей ветра может быть установлено различными методами выбора наиболее подходящих параметров кис для измеренных значений 11 (1=1, ..., п) выработки случайных значений скорости [2, 4, 11, 12].

Удельная мощность и удельная энергия ветрового потока. Удельная мощность потока ветровой энергии равна энергии, переносимой ветром в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной скорости ветра. Для стационарного потока воздуха со скоростью V, м/с, удельная мощность Р^), Вт/м2, равна:

Р (V) = } •р^ V3, (24)

где р, кг/м3 - плотность воздуха.

Средняя удельная мощность потока ветровой энергии может быть выражена двояким образом в

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

соответствии с приведенными представлениями распределения скоростей ветра в потоке.

При использовании экспериментальных повторяемостей скоростей Ц, средняя удельная мощность <Р> выражается как

Р = 1>(У)• Ь = Р-Ъ?3 Ч, (25)

1=1 з=1

т. е. через оценку третьего начального момента скорости.

При использовании аналитической функции распределения скоростей получаем следующее математическое ожидание мощности:

да да

М[Р] = {Р(у) -Ду)ЙУ = 2-р\V3 • /(у)сУ. (26) 0 0 что для распределения Вейбулла дает

М[Р] = -2-р-с3 • Г(1 +(27)

Различие между результатами расчета мощности по формулам (25) и (27) служит косвенной проверкой адекватности использования

аналитической функции распределения скоростей и репрезентативности выработки п измерений скорости.

Формулы (25)-(27) могут быть применены для любого момента или интервала времени, такого как месяц, сезон или год. Например, для интервала времени Т^ с, ]-го месяца со средней удельной мощностью ветра <Р> среднемесячная удельная энергия ветра Б^, Дж/(м2*мес.), представляется выражением:

Ев = {P)j■Tj, (28)

а для периода Т, с, всего года со средней мощностью <Р> среднегодовая удельная энергия ветра Бв, Дж/(м2*год) связана с Б^ (]=1, 2, ..., 12) соотношением:

Ев = рТ • ±у]=Ъ Ещ = -2-р.± Т]-±у]^,

1=1 ]=1 ]=1 1=1

(29)

где t1J - повторяемость скорости у1 в ]-м месяце.

Аналогичное соотношение существует для оценки среднегодовой удельной энергии ветра как математического ожидания:

Ев = рТ-1V3 -/(у)ёу = р.ЪТ] -}у3 -/](у)йУ,

0 ] = 1 0

(30)

где ^(у) - дифференциальная функция распределения скорости ветра в ]-й месяц.

II. ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГИИ

Распределение удельной мощности ветрового потока на территории СНГ. Как видно из рис. 1, 2, 3, ветроэнергетические ресурсы в СНГ расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, районах Каспийского моря, нижней и средней Волги, на побережье Охотского, Баренцева, Черного, Азовского морей, Северного и Южного Кавказа и западе Украины и Белоруссии. Все это составляет более 5 млн. км2. Валовый потенциал этих территорий оценивается более 80-1015 кВтч/год, технический - более 6,2 1015 кВтч/год, экономический - более 31 • 1012 кВтч/год. При таких ресурсах экологический потенциал существенно отразит сокращение вредных выбросов в атмосферу, что предоставит возможности для решения квот Киотского протокола и Механизма Чистого Развития (МЧР) в странах СНГ [2, 4, 10-12].

Карты позволяют определить удельную ветровую энергию на ровной открытой местности. Если же ставить целью размещение ветроэлектрических установок в энергетически более благоприятных условиях, например, на верхних частях склона, то следует ввести поправки, учитывающие форму рельефа местности.

Валовый потенциал ветровой энергии региона. Исходя из общего определения валового потенциала возобновляемых источников энергии, можно сформулировать следующее определение для ветровой энергии. Валовый (теоретический) потенциал ветровой энергии региона - это среднемноголетняя суммарная ветровая энергия движения воздушных масс над данной территорией в течение одного года, которая доступна для использования.

В отличие от других возобновляемых источников энергии, например, солнечной, в определение валового потенциала ветровой энергии входит условие возможности ее использования, поскольку ветер хоть и занимает огромные объемы в атмосфере Земли над регионом, но практически возможно использовать только малую часть общего ресурса ветровой энергии. При этом требуется выработать согласованные принципы возможного использования энергии ветра и оценки соответствующих потенциальных возможностей региона. В современных научных разработках общепринятым принципом является использование энергии ветра на определенной высоте И над поверхностью Земли. В данной работе принимается значение И=50 м.

Регион представляется как совокупность участков или зон, в каждой из которых удельная мощность ветровой энергии, а также географические, климатические и погодные условия являются однородными по всей площади зоны. Как правило,

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

зоны должны соответствовать расположению метеорологических станций. Валовый потенциал региона представляет сумму валовых потенциалов составляющих его зон [2-12].

Методика определения валового потенциала. В соответствии с определением, валовый потенциал рассчитывается как суммарная энергия ветра, которая может быть использована системой ветроэлектрических установок высотой И. На основании имеющихся исследований обтекания препятствий воздушными потоками принимается условие, что возмущенный поток полностью восстанавливается на расстоянии, равном 20И от каждой установки. Таким образом, полное использование энергии ветра на высоте И осуществляется ветроэнергетической системой, в которой рады ветроэнергетических установок, ориентированных перпендикулярно направлению ветра, отстоят друг от друга на расстоянии 20И, так что полная ветровая энергия, захватываемая установками на площади территории 8, м2, в год, представляет валовый потенциал территории Wв, кВт ч/год, который при удельной энергии ветра Ев, кВтч/(м2год), равен

К = Ев• % = £-р-Т • 5 •¿V? • Г,, (31)

,=1

или

да

К = £ р Т • 5 | V3 • /№, (32)

0

Для распределения Вейбулла это дает выражение:

Кв = £ р Т • 5 • с3 • Г (1 + к), (33)

Валовый потенциал можно представить как сумму потенциалов _|-х месяцев WBJ

12 12 Кв =1 ЕвГ (34)

j=l ¡=1

Значение валового потенциала, соответствующее высоте И=50 м, может быть получено путем использования восстановления дифференциальной повторяемости скорости ветра на этой высоте 1 по данным скоростей на высоте флюгера, полученным на ближайшей метеостанции или специальными измерениями, а также путем использования восстановления дифференциальной функции распределения скоростей :(у), как это описано выше.

Различие между численными значениями по формулам (31) и (32) служит оценкой погрешностей измерений и методики расчета валового потенциала ветровой энергии.

Технический потенциал ветровой энергии региона. Исходя из общего определения технического потенциала возобновляемых источников энергии, а также отмеченной выше специфики использования ветровой энергии, можно сформулировать следующее определение.

Технический потенциал ветровой энергии региона - это суммарная электрическая энергия, которая может быть получена в регионе от использования валового потенциала ветровой энергии при современном уровне развития технических средств и соблюдении экологических ограничений.

Технический потенциал региона представляет сумму технических потенциалов составляющих его зон [2, 10-15].

Методика определения технического потенциала. Один из основных параметров технического потенциала зоны представляет площадь территории Бт, м2, которая по хозяйственным и экологическим соображениям представляется целесообразной для использования ветровой энергии; она равна части q общей площади Б, остающейся после вычитания площадей сельскохозяйственных угодий, промышленных и водохозяйственных территорий, парков, жилых, медицинских и культурных строений и др.

БТ = д^. (35)

Значения q являются специфическими для каждой зоны, причем в настоящее время приняты следующие правила [1-4, 11]:

- утилизация ветровой энергии целесообразна в районах, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с или, в соответствии с более точным подходом, коэффициент использования установленной мощности ветроэлектрической установки большого класса мощности (более 100 кВт) оказывается не ниже 20%;

- в указанных районах для развития ветроэнергетики может быть использовано не более 30% территории;

- наиболее эффективным является утилизация ветровой энергии с помощью ветроэлектрических установок большой мощности (от 100 до 500 кВт).

Общая площадь регионов СНГ со среднегодовой скоростью ветра свыше 5 м/с составляет около 15% ее территории, а площадь регионов с коэффициентом использования мощности более 20% (для современных установок мощностью 250 кВт) превышает 20% территории. Таким образом, для России получаем среднюю оценку q~0,06. Распределение коэффициента использования установленной мощности по территории СНГ представлено на рис. 2.

Воздействие ветроэлектрических установок на окружающую среду и на человека, а также некоторые требования к их размещению и

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

соответствующему отчуждению площади, рассмотрены в работе, где представлены зависимость уровня шума от расстояния для ветротурбин датских фирм ^КБТАКК и М1СОМ [10]. Для снижения шума в жилых домах ниже критического уровня ~40-45 дБ, отдельная ветроэлектрическая установка должна располагаться от них далее 200 м. Практически интересный случай представляет также шумовое воздействие крупных ветроэнергетических систем. Для ветроэлектрической станции мощностью 50 МВт, включающей 100 ветроустановок с единичной мощностью 500 кВт, максимально необходимая площадь размещения составляет около 13 км2, а удельная площадь размещения - 260 м2/кВт.

Проанализировав представленные рисунки 1-3 становится понятно, что экоэнергетические ресурсы ветрового потенциала на территории СНГ составляют: около 30% - на Дальнем Востоке; 16% -в Западной и Восточной Сибири; 14% - в Северных экономических районах Кавказа, Прикаспийском и Черноморском регионе; менее чем 5% - в остальных регионах территорий Центральной Азии и Западных стран СНГ.

Следует, однако, отметить, что необходимая полоса отчуждения земли по периметру станции при сохранении на больших расстояниях характера зависимости уровня шума должна иметь ширину более 1 км, т.е. общая отводимая площадь станции превысит 20 км2, а удельная площадь - 400 м2/кВт.

Зависимость мощности ветроэлектрической установки М(у), Вт, с диаметром ветротурбины Б, м, от скорости ветра определяется выражением:

V(V) = * • В2 • Р(у) • фу) =%■ В2 -ру3 -ф), (36)

максимального кпд. Поэтому данная модель дает завышенные значения мощности.

Если ветры имеют одно преимущественное направление, например, на побережье морей, то, как и при расчете валового потенциала, оптимальная структура ветроэнергетической системы

соответствует расположению ветроэлектрических установок в виде рядов, ориентированных перпендикулярно ветру и отстоящих друг от друга на расстоянии 20 Б. При этом на площади 8Т можно разместить 8Т/(20-Б2) установок, так что энергия, вырабатываемая в течение года (Т=8760 ч/год) всеми установками на площади БТ, т.е. технический потенциал ветровой энергии кВт ч/год,

оказывается равным

W

T 1000

T ■

что при учете выражения (37) дает:

WT = I^ITрХv3 ■T1(vi)■ti.

(39)

(40)

Если ветры могут менять свои направления примерно равномерно по румбам, то ветроэлектрические установки целесообразно размещать в шахматном порядке с расстоянием между ближайшими 20 Б. При этом на площади 8Т можно разместить БТ/(100 Б) установок, так что технический потенциал ветровой энергии Б, кВт ч/год, оказывается равным размещению ветроэлектрических установок для максимального использования ветрового потока

где п(у) - кпд установки при данной скорости ветра.

Средняя мощность ветроэлектрической установки <М>, Вт, приобретает выражение

N=!■D 2

■рХ V3

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

/=1

(37)

WT ■т ■

S,

т

1000

100 ■ D

(41)

что для (37) дает

W = ' т т 100000

-■ Р ■Х v3 V) ^i

(42)

ее математическое ожидание имеет вид

да да

М[V] = |V(у)/(у)ск =*• В2 • р • {V3 »(у) • /(у)ёу

0 0

(38)

Порядок размещения ветроэлектрических установок для максимального использования ветрового потока в общем случае зависит от розы ветров на местности.

Модель обладает серьезными недостатками. Во-первых, в точке у=ув происходит скачкообразное изменение мощности М(у), что физически не реально и не подтверждается экспериментально. Во-вторых, в расчетной точке у=уР кпд современных ветроэлектрических установок намного меньше

т. е. в 5 раз меньше потенциала (40).

В более общем случае, когда существует преимущественный сектор направления ветра, целесообразно обеспечить специальное размещение ветроэлектрических установок на территории и, в таком случае, технический потенциал будет представляться промежуточным значением между (39) и (41).

Следует отметить, что технический потенциал ветровой энергии оказывается независящим от диаметра ветроколеса Б, т. е. от абсолютной мощности используемых ветроэлектрических установок.

Зависимость мощности современных

ветроэлектрических установок от скорости ветра

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

i =1

^у) включает три характеристических значения скорости: минимальное значение, или скорость включения ув такая, что при у<ув мощности ветротурбины не хватает даже на преодоления момента сил трения на оси турбины, т.е. ^у)=0; расчетное значение ур такое, что при ув<у<ур ветроэлектрическая установка развивает мощность и достигает номинального или установленного значения максимальное значение, или скорость отключения у0 такая, что в области ур<у<у0 поддерживается постоянная мощность N за счет регулирующих устройств. При у>у0 энергия ветра не используется во избежание поломки установки. Поэтому зависимость кпд от скорости п(у) является весьма сложной.

Зависимость ^у) является основной технической характеристикой, специфической для каждой ветроэлектрической установки и, строго говоря, должна входить в ее паспортные данные. Для оценки современного технического уровня разработок существуют две теоретические модели описания предельных характеристик мощности

ветроэлектрической установки, представленные ниже.

Модель постоянного коэффициента полезного действия в области выхода ветроэлектрической установки на расчетный режим. Первая модель [11] основана на использовании условия постоянства кпд установки п(у) в области скорости ув<у<ур и равенства его значению:

П = ПП

рЧГ >

(43)

предполагается, что в области ув<у<ур мощность ветроэлектрической установки изменяется линейно от ^ув)=0 до ^ур)=^ (например, [4, 5]). Таким образом, данная модель включает следующую зависимость мощности ветроэлектрической установки от скорости ветра:

N (V) = 0; V < ув ; V > У0 ,

N(V) = Np (V-Vв)/(V, -Vв);Vв < V < vp,

N (V) = Np; V, < V < vO.

(46-48)

При этом кпд установки имеет следующую зависимость:

П^) = 0; v < vв; v >^о;

п( ) = п(^ )( / )3 (- vв)/( - vв); vв <v < ^;

17(у) = п^р)(р /)3; vp < v < Vо.

(49-51)

где значение кпд в расчетной точке равно:

П (V р )= 8 N. /(ж Б 2 pvъp). (52)

где 4 - реально достижимое значение коэффициента использования энергии ветра ветроколесом (4=0,45-0,48); пр=0,9 и пг=0,95 - достижимые кпд редуктора и генератора, соответственно. При этом расчетное значение установленной мощности равно:

N = (ж/8) D 2ръп

(44)

а кпд в области скоростей ур<у<уо (N=00^1) падает обратно пропорционально кубу скорости

Ф) = По (vp / v)3-

(45)

Рис. 1. Среднегодовая удельная мощность ветровой

энергии, Вт/м2 Fig. 1. Mid-annual specific capacity of wind energy, W/m2

Модель обладает серьезными недостатками. Во-первых, в точке у=ув происходит скачкообразное изменение мощности ^у), что физически не реально и не подтверждается экспериментально. Во-вторых, в расчетной точке у=ур кпд современных установок намного меньше максимального кпд (43). Поэтому данная модель дает завышенные значения мощности [1-8].

Модель линейного возрастания мощности в области выхода ветроэлектрической установки на расчетный режим. Более адекватной является вторая теоретическая модель, в которой

Рис. 2. Среднегодовой коэффициент использования установленной мощности (средняя мощность в % от номинальной мощности) Fig. 2. Mid-annual operating ratio of the established capacity (average capacity in % from rated power)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

K =

N '

(56)

Рис. 3. Перспективные районы размещения ВЭС в Российской Федерации Fig. 3. Perspective areas of wind power stations location in Russian Federation

Кпд (50) имеет максимальное значение пм:

Vm = (4/ 27Mvp)(vp / v,)3 / (vp / v, -1), (53)

в точке vM:

Vm = (3/2)Vb

(54)

При условии ум<ур, что обычно выполняется, получаем: Пм-Пр. В частности, для ветроэлектрической установки фирмы МЯ-3 с установленной мощностью 300 кВт имеет: ув=5,0 м/с, ур=11,4 м/с, так что кпд в расчетной точке значительно меньше максимального кпд пр = 0.73 пм.

Данная модель довольно хорошо согласуется с экспериментом и в последствие годы обычно используется в исследованиях и практических расчетах. Фактически представленная зависимость характеризует технический уровень современных разработок ветроэлектрических установок. Соответственно этому средняя мощность ветроэлектрической установки <М>, Вт, приобретает выражение:

( <уп <у0 Л

N = X

(у, -Vß ) t,

■X t

(55)

где у обозначает значение у1, ближайшее снизу к значению у.

Поскольку установленная мощность N пропорциональна Б2, то технический потенциал "Т (39) или (41) по-прежнему не зависит от Б.

Полученные выражения для технического потенциала (40), (42), как и (55), можно также представить в виде интегралов с функцией распределения по скоростям Д(у).

Отношение средней мощности

ветроэлектрической установки <М> (или ее математического ожидания) к установленной

мощности

Np

является важной характеристикой одновременно самой установки и ветровой энергии.

Экономические характеристики

ветроэлектрических установок. Ветровая энергия представляет один из наиболее дешевых возобновляемых источников энергии. Однако проблема широко использования

ветроэлектрических установок в энергетике связана с их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционными системами.

Удельная стоимость производимой

электроэнергии и установленной мощности ветроэлектрических установок. В начале 80-х годов, когда в мире началось промышленное использования ветроэлектрических установок, средняя стоимость производимой ими электроэнергии составляла примерно

30 центов/(кВтч), что было значительно выше стоимости энергии от традиционных органических источников - нефти, угля и газа. За последние 15 лет стоимость электроэнергии от установок, подключенных к энергосистемам, снизилась более чем в 6 раз. На рис. 4 представлены графики изменения стоимости вырабатываемой

электроэнергии и установленной мощности зарубежных сетевых ветроэлектрических станций по годам. В 1996 г. стоимость электроэнергии составляла менее 5 центов/(кВтч) и была сравнима со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных топлив. Более того, в настоящее время, например, в Дании стоимость электроэнергии от ветроэлектрических станций меньше, чем от электростанций на угле.

За тот же 15-летний период удельная стоимость установленной мощности ветроэлектрических станций, подключенных к энергосистемам, уменьшилась в 4 раза с 4000 долларов/кВт до 1000 долларов/кВт.

называемое коэффициентом

использования установленной мощности K,

Рис. 4. Изменение скорости ветра и удельная стоимость Fig. 4. Change of wind speed and specific cost

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

p

Стоимость установленной мощности

возобновляемых источников энергии для конкретного региона, в том числе ветроэлектрических установок, включает стоимость производства соответствующего оборудования, расходы по его транспортировке на место установки и стоимость строительства. Определение стоимости установки, а также ресурса ее работы в натурных условиях, позволяет установить стоимость вырабатываемой полезной энергии и привести сравнение с другими источниками энергии, в первую очередь с традиционными. Тем самым может быть определена экономическая целесообразность и эффективность использования того или иного вида возобновляемых источников энергии в данном регионе.

Основной подход к расчету экономических параметров установок возобновляемых источников энергии был предложен и представлен в работе [11]. Он включает определение эффективности установок в конкуренции с использованием традиционных видов топлив для трех характерных зон страны: зоны централизованного гарантированного

энергоснабжения, зоны централизованного энергообеспечения с дефицитом электроэнергии и зоны с автономным энергообеспечением.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Например, пустыня Каракумы в Туркменистане занимает 80% территории и около 40 млн. га отведены под пастбищные угодья, где имеются малые населенные пункты, в которых проживают животноводы. ЛЭП тянуть не выгодно, для таких категорий земель важную роль может сыграть использование возобновляемых источников энергии.

Удорожание энергоносителей во всём мире в последние десятилетия, повышающиеся требования к чистоте окружаюшей среды, а также рост потребления энергии приводят к увеличению затрат для получения тепловой и электрической энергии, вырабатываемой с использованием органического топлива.

Вследствие совершенствования технологий преобразования энергии возобновляемых источников, заметно снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой при их использовании.

Составленная карта на рис. 1, 2, дает количественную оценку ветроэнергораспределения ресурсов на территории СНГ. Используя ее, можно подсчитать энергетические ресурсы отдаленных районов. Например, в Туркменистане годовой экономический эффект от комбинированного использования гелиоветроэнергетических систем теплохладоснабжения дома в сельской местности площадью 150 м2 составит 0,4 тыс. долларов в год и сэкономит на душу населения 180-200 кг. у.т. в год. За счет ветроагрегата можно удовлетворить от 40%-85% энергопотребления. Во многих странах мира ветроагрегаты в первую очередь широко используются в малых населенных пунктах,

сельской местности, в приморский районах, следовательно, в Туркменистане есть все возможности для активного применения гелиоветроэнергоустановок для улучшения социально-бытовых условий человека.

На основе данных зарубежных источников [3, 4, 9-15] приведена стоимость электроэнергии, вырабатываемой электростанциями (ЭС), использующими традиционные энергоресурсы и необходимые удельные капитальные вложения.

По данным [3, 4, 9-11] в Дании и Англии уже достигнута стоимость электроэнергии (4,04,7 цента/кВтч), вырабатываемой ветроэлектро-установками (ВЭУ), хотя удельные капитальные вложения там несколько выше (12001600 долл. США/кВт).

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой на основе возобновляемых источников энергии, сравнялась, а в некоторых случаях стала ниже стоимости энергии, вырабатываемой ЭС на традиционном топливе. Кроме того, прослеживается тенденция удешевления электроэнергии,

вырабатываемой ветро- и солнечными ЭС и удорожания энергии, вырабатываемой

традиционными ЭС с использованием органического топлива.

Несмотря на низкий коэффициент использования установочной мощности (<0,5) [3-11] и вероятностный характер выработки электроэнергии, ВЭУ становятся конкурентно способными с ЭС на традиционном топливе.

Экономическая эффективность

ветроэлектрических установок в зонах централизованного энергообеспечения. Стоимость вырабатываемой электроэнергии Ц, долл./(кВт ч) или руб./(кВтч), и стоимость установленной мощности С, долл./кВт или руб./кВт, связаны с такими экономическими параметрами как срок окупаемости и срок службы установки.

Срок окупаемости ветроэлектрической установки Ток, год, определяется по формуле

T _ NPC TOK _ E-ЦТ -Иэк

(57)

где ^-С - общая стоимость установки (капитальные затраты), долл. или руб.; Е=<N>Т - электроэнергия, вырабатываемая установкой в год, кВт ч/год, Т=8760 ч/год; Цт - стоимость энергии традиционного источника, долл./год или руб./(кВтч); ИЭК -издержки эксплуатации, долл./год или руб./год.

Стоимость энергии, выработанной установкой Ц, долл.(кВт ч) или руб./(кВт ч), связана со сроком службы установки Тсл, год, соотношением

Ц _-

(58)

Если ввести коэффициент использования установленной мощности К (56) и норму издержек эксплуатации у, 1/год, в соответствии с условием

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

Иэк = ynpc, (59)

то срок окупаемости (57) представится в виде:

T =

' лг

OK тКЦТ-уС '

а стоимость энергии (58) выразится как

ц = С (1+уТ„)

ц ктт.. •

(60)

(61)

Экономический эффект использования ветроэлектрической установки Э, выраженный в долларах или рублях, может быть определен как цена энергии, произведенной установкой за период работы после срока окупаемости установки:

Э = (Тсл -Тк)■(ЕЦТ -Иэт).

(62)

Как видно, экономические показатели, определяющие целесообразность и эффективность использования ветроэлектрических установок, сильно зависят от стоимости Цт электроэнергии, получаемой от традиционных видов топлива. В зонах централизованного энергоснабжения стоимость довольно низка, что снижает экономический эффект использования энергии ветра. По тарифу 1999 г. Цт=0,3 рубля/(кВтч), или примерно 1,3 цента/(кВт ч), т.е. в несколько раз меньше стоимости электроэнергии, вырабатываемой ветроустановками. В тоже время, наличие электрических сетей является благоприятным условием для подключения к ним ветроэлектрических установок и обеспечения их устойчивой работы [11, 12].

Практически важный случай представляют районы, формально находящиеся в зонах централизованных энергосетей, но остродефицитные по энергии. Наличие дефицита энергии, как правило, приводит к значительным потерям, с том числе материальным и финансовым. Это означает, что в энергодефицитных районах проблема использования возобновляемых источников энергии становится более насущной и острой, а определение экономического эффекта ввода энергоустановки приводит к замене формулы (62) на следующую:

Э = (Тсл - ТОК )•( Е-Цт - Иэк ) + Тсл б(Ц„ - Цт ), (63)

где Р, кВт ч/год, - годовой дефицит энергии, покрываемой энергоустановкой; ЦП, руб./(кВтч), удельная цена потерь от дефицита энергии.

Величины Р и ЦП могут иметь другую интерпретацию, пригодную для любого региона, не только остродефицитного. Именно:

- Р, кВт ч/год, - годовая потребность промышленного производства региона в электроэнергии, покрываемая энергоустановкой;

- Цп, руб./(кВт ч), - цена товаров промышленного производства региона, приходящаяся на единицу потребляемой электроэнергии.

Экономический эффект использования автономных энергоустановок и региональные факторы стоимости. Гораздо больший экономический эффект имеет создание автономных ветроэлектрических установок в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, хотя при этом возникают определенные трудности обеспечения их устойчивой работы в условиях быстрого изменения скорости ветра, а также возможных длительных периодов затишья. Потребности населения и хозяйства указанных регионов в электроэнергии весьма велики, а стоимость традиционных видов топлива намного выше их стоимости в зонах централизованного получения и распределения энергии из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировке. Исходя из этого, в стоимость топлива в регионе Цтр включается региональный фактор гр:

Цтр rv 'Цт

(64)

где гр>1 для различных регионов может изменять свою величину. В то же время удельная стоимость установленной мощности С почти не изменяется в сравнении с ЦТР. Поэтому при замене ЦТ на ЦТР в формулах (57), (63), рассчитываемый срок окупаемости атомных установок в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается, а экономический эффект возрастает пропорционально Гр.

Необходимо также учитывать, что сегодня в некоторых странах цены на энергоносители имеют нерегулярный характер, подвержены постоянному росту и неравномерности по регионам СНГ, прежде всего из-за условий транспортировки. Поэтому решение вопроса об экономической целесообразности и эффективности использования ветроэлектрических установок, как и установок других нетрадиционных видов энергии, сильно зависит от местных климатических, географических и социально-экономических условий.

В представленных выражениях, определяющих экономическую эффективность, не учитывается влияние вводимых установок на окружающую природу, на социальные условия жизни и деятельности человека, что в целом определяется как экологические условия. Возобновляемые источники энергии, по сравнению с традиционными, обладают важным преимуществом, заключенным в возможности обеспечения экологической чистоты вводимых установок, а в некоторых случаях -возможности улучшения экологической обстановки.

Одной из форм учета влияния вводимых источников энергии на экологию региона может быть введение в удельную стоимость получаемой

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

C

энергии регионального экологического фактора источника гЭ, учитывающего относительные расходы на компенсацию вредных последствий ввода единицы энергии того или иного источника в регионе. Если С - удельная стоимость источника энергии в производстве, то удельная стоимость с учетом регионального экологического фактора СЭ выражается как

C _ г С

(65)

причем гЭ>1 для источника, приводящего к ухудшению экологической обстановки в регионе, и гЭ<1 - для источника, улучшающего экологическую обстановку в регионе; для одного и того же источника гЭ в различных регионах может изменять величину, становиться больше или меньше единицы. Аналогичное выражение существует и для стоимости традиционных видов топлива:

ЦТРЭ ГТЭ 'ЦТР ГТЭ 'ГР ' ЦТ •

(66)

T _ Np тэ С OK ~ ЕЦтрэ -И-Э,

(67)

Э _ (Тел - Ток )(Е Цтрэ - И ЭК ) + Тсл Q(Un - Цтрэ )•

Если в регионе функционируют М ветроэлектрических установок, то суммарный экономический эффект их использования Эв, долл. или руб., при общей потребности производства региона в электроэнергии рП, кВт/год, равен:

Эв = ЭМ = (Ттс - Ток )М (Е Цтрэ - Цэк ) +

+Тсл<п (Цп - Цтрэ ). (70)

Поскольку обычно удельная цена производимых промышленностью ценностей (или материальных и финансовых потерь из-за дефицита энергии) больше соответствует стоимости топлива (а часто - много больше),

ЦП ^ ЦТРЭ>

(71)

Таким образом, с учетом регионального фактора стоимости топлива и регионального экологического фактора, срок окупаемости и экономический эффект использования ветроэлектрической установки в общем случае определяются выражениями:

(68)

Зависимость срока окупаемости

ветроэлектрической установки ТОК от коэффициента использования установленной К (56) при современной стоимости установленной мощности СЭ=1000 долл./кВт и типичном значении нормы эксплуатационных издержек у=0,05 представлена в табл. 5 для ряда значений стоимости электроэнергии из традиционных видов топлива ЦтрЭ.

Следует отметить, что экономический эффект (68) можно представить как сумму экономических эффектов) - месяцев каждого года с длительность Х|, ч/мес., средней мощностью кВт, и

потребностью производства кВтч/мес.,

посредством представления:

то экономический эффект использования энергии нетрадиционных источников может оказаться очень значительным [2-5, 10-15].

Экономический эффект растет с увеличением срока службы установки ТСЛ, а при Тсл<Ток может оказаться отрицательным, что соответствует невыгодности применения установки.

Экономический потенциал ветровой энергии региона. Экономический потенциал ветровой энергии региона - это величина годового поступления электрической энергии в регионе от использования ветроэлектрических установок, получение которой экономически оправдано при существующем уровне цен на производство, транспортировку и потребление энергии и топлива и соблюдении экологических норм.

Экономический потенциал региона представляет сумму экономических потенциалов составляющих его зон.

Методика определения экономического потенциала. В соответствии с определением, экономический потенциал ветровой энергии региона WЭ, кВт ч/год, представляет энергию, которая может быть выработана в год ветроэлектрическими установками при условии, что их экономический эффект положителен

Эв > 0.

(72)

При анализе выполнимости этого условия возможны два варианта.

E _ (N)-T _ £ Ej _ £ (N). T;Q _ £Qj. (69)

j _i

Вариант 1. Если срок службы установки больше или равен сроку ее окупаемости

Эти выражения позволяют учесть относительный вклад месяцев в году получения экономического эффекта и в покрытие соответствующих потребностей в энергии за счет ветроэлектрической установки.

Т > Т

L СЛ — L ок>

(73)

то обычно в силу условия (71) экономический эффект использования установок (70) является положительным при любом их числе. Это означает, что в данном случае целесообразно использовать

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

максимально возможную мощность

ветроэлектрических станций, так что экономический потенциал ветровой энергии оказывается совпадающим с техническим потенциалом, представленным выше:

ЖЭ = Жт. (74)

Вариант 2. Если срок службы установки меньше срока ее окупаемости

Тсл < Ток , (75)

то выполнение условия эффективности (72) соответствует следующему ограничению на полную мощность ветроэнергетических систем:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Е-ИЭК М ( < ТСЛ • • (Цп -ЦТРЭ ) (76)

ЦТРЭ (ТОК-ТСЛ )• ЦТРЭ '

и одновременно, естественно,

Е-М > дп. (77)

Таким образом, в этом случае экономический потенциал соответствует наименьшей из двух представленных ниже величин.

Если срок службы близок к сроку окупаемости, точнее, если

Т ОК - Тсл < Тсл д / Ж-, (78)

то экономический потенциал, как и в варианте 1, равен техническому потенциалу:

Жэ = ЖТ . (79)

Если отличие срока службы от срока окупаемости значительно, то экономический потенциал определяется выражением:

Жэ = Тсл дп (Цп - Цтрэ )/

/[(ТОК - Тсл )ЦТРЭ ] + М ИЭК / ЦТРЭ . (80)

При условиях:

ТОК ~ ТСЛ ~ ТСЛ ; ЦП >> ЦТРЭ , (81)

и пренебрежении эксплуатационными издержками, экономический потенциал дается оценкой

W ~ бпЦп / Цтрэ >> Qn • (82)

В различных зонах региона для ветроэлектрических установок даже одного типа могут выполняться различные условия определения экономического потенциала (73), (78) или (81), что в значительной мере зависит от ветровой обстановки. Соответственно этому, значения экономических потенциалов зон определяются формулами (74), (80) или (82). Экономический потенциал региона будет равен их сумме [3-12].

Анализ данных по времени окупаемости ветроэлектрических установок, представленных в табл. 5, а также в существующей литературе, показывает, что условие (73) в реальных случаях может выполняться в зависимости от значений коэффициента использования установленной мощности установок К и региональной стоимости электроэнергии из традиционного топлива ЦТРЭ. Изменение скорости ветра и удельная стоимость представлен на рис. 4. С использованием выражений (59), (65), (67) условие (73) может быть предоставлено в виде

К > КЭ, (83)

где

Кэ = (1 + уТсл)СЭ / (ЦТРЭТ • Тел), (84)

коэффициент, определяющий область

экономической целесообразности использования установки; Т=8760 ч/год. Регионы, в которых выполняется условие (83), имеют экономический потенциал ветровой энергии, равный их техническому потенциалу. При этом должно учитываться ограничение К<1, так что при КЭ>1 условие (83), естественно, не выполняется.

Таблица 5 Table 5

Срок окупаемости ветроэлектрических установок ТОК, год Time of wind power stations recoupment ТОК, year

Стоимость электроэнергии, ЦТРЭ, долл./(кВтч) Коэффициент использования установленной мощности К, %

100 70 500 40 30 20

0,01 26,6

0,02 7,98 13,0 26,6

0,05 2,58 3,75 5,92 7,98 12,3 26,6

0,10 1,21 1,78 2,58 3,33 4,70 7,98

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Для типичных величин СЭ=1000 долл./кВт, у=0,05 1/год, ТСЛ=10 лет, ЦТРЭ=0,04 долл./(кВтч) получается значение КЭ=0,43.

Если условие (83) не выполняется, т.е.:

К < Кэ, (85)

то экономический потенциал ветровой энергии сохраняет значение (74) при достаточно больших К:

К > Кэ /[1 + & (Цп / ЦтРЭ - 1)/^т ], (86) в промежуточной области значений К

КэЦтрэ / Цп < К < Кэ / [1 + <П (Цп / Цтрэ -1)/ ^ ],

(87)

экономический потенциал равен

^э = К <п (Цп / Цтрэ -1) / (Кэ - К), (88) а при малых К

К < КэЦтрэ / Цп , (89)

экономический потенциал равен нулю:

Гэ = 0. (90)

Условие (89) означает, что стоимость энергии, производимой ветроэлектрической установкой, настолько большая, что создаваемые с ее помощью товары промышленного производства по стоимости не покрывают расходов на электроэнергию, т.е. использование установки нецелесообразно.

Таким образом, экономический потенциал ветровой энергии региона WЭ имеет растущую зависимость от коэффициента использования установленной мощности К, определяемую тремя параметрами: коэффициентом экономической целесообразности установки КЭ, экономическим параметром потребности промышленности региона в энергии и ценовым параметром

промышленного производства ЦП/ЦТРЭ. При этом, как показывает сравнение с результатами, зависимость WЭ ветровой энергии от отношения К/КЭ полностью совпадает с общей зависимостью экономического потенциала солнечной энергии от у/уткр, приведенной на рис. 2-5.

Общая потребность региона в электроэнергии Ро представляет сумму потребности производства рП и бытовой потребности населения рБ, введенной в

[1-5]:

а = <п+, (91)

<Б = рЩ, (92)

где р, Вт/чел., - средняя норма потребления электроэнергии одним человеком в быту (освещение, радио, телефон, телевизор, водоснабжение, бытовые электроинструменты); N4 - число людей в регионе, нуждающихся в обеспечении быта электроэнергией.

В соответствии с этим можно использовать введенное ранее понятие избытка экономического потенциала ветровой энергии региона AW;3, представляющего разницу между экономическим потенциалом и общей потребностью региона в электроэнергии:

AW = W - Q0. (93).

Если AW;3>0, то регион является экономически обоснованным потенциальным донором

электроэнергии; если AW;3>0, то регион является потенциально дефицитным по энергии.

III. ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ВЕТРОПОТЕНЦИАЛА ОСТРОВА КЫЗЫЛ-СУ КАСПИЙСКОГО МОРЯ И ОСТРОВА ХАРЛОВ БАРЕНЦЕВОГО МОРЯ

Ветоэнергетические характеристики

скорости ветра. Остров Кызыл-Су расположен в Каспийском море западной части Туркменистана, относится к районам с самым высоким в Туркменистане уровнем удельного ветрового потенциала.

Острова Харлов расположен в Баренцевом море в Мурманской области вблизи северного побережья Курильского полуострова, относится к островам с самым высоким в России уровнем удельного ветрового потенциала. На острове имеется метеостанция, на которой регулярно ведутся наблюдения.

При расчетах экоэнергетических ресурсов был проведен аналитический обзор островов из справочника метеорологических данных и составлены таблицы: 1 - повторяемость направления ветра, тъ %, и классы открытости по Милевскому Ko1 метеостанции островов; 2 - значение среднегодовой скорости, м/с, на побережье Каспийского, Баренцева моря с высоты флюгера 10 м; 3 - фактическая повторяемость скоростей ветра на побережьи Каспийского и Баренцева моря с высоты флюгера 10 м; 4 - рассчитаны основные параметры распределения Вейбулла для скорости ветра; 5 -рассчитаны удельная мощности и удельная энергии ветрового потока. Результаты подробно приведены в монографиях и научных трудах [2-12].

Годовой ход скорости ветра на рассматриваемой территорий побережья Каспийского моря. Данные многолетних скоростей ветра с 1936 по 1980 годы взяты из справочника по климату. Из анализа видно, что весной и летом в связи с прогревом поверхности почвы усиливается турбулентный обмен между приземными и верхними

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

слоями воздуха, чем и объясняется увеличения среднегодовой скорости ветра в этот период года. Однако чаще всего значение средних месячных скоростей ветра изменяется от года к году на 0,51,0 м/с летом и на 1-2 м/с зимой.

Важными составляющими ветроэнергетического кадастра являются временные характеристики скорости ветра, которая колеблется в пределах 3,84,8 м/с.

Суточный ход средней скорости ветра - это изменение скорости ветра в течение суток, усредненное по всем суткам в определенном месяце и по многолетним наблюдениям. Согласно представленному выше определению,

среднемноголетнее значение скорости ветра это значение в одной и той же местности измерения для всех суток (1, 7, 13, 19 часов) по месяцам. Рассмотренные характеристики временной зависимости средней скорости ветра имеют важное значение для оценки не только ветроэнергетического потенциала определенной местности, но эффективности его использования за счет учета степени согласованности графика поступления ветровой энергии с графиком энергетической нагрузки потребителей.

Вероятность скорости ветра по градациям в различные часы суток (%). Направление ветра определяется по той части горизонта, откуда дует ветер. Данные повторяемости ветра вычисляются в процентах от общего числа наблюдений за каждый месяц и год. Направления ветра в значительной степени зависит от условия месторасположения ветроустановки. Если ветроустановка расположена на открытой местности, то данные отражают направление ветра основного воздушного потока, характерное для местных условий. Видно, что в среднем северный ветер составляет 23%, 16% -северо-западный ветер, 15% - юго-восточный. Это говорит о том, что результаты замера проведены там, где нет никаких элементов защищенности. Повторяемость направления ветра широко используется при проектировании размещения ветроустановок, поселков, строительства заводов и др. сооружений [1, 2, 4-12].

Характерной особенностью ветровой обстановки острова Харлов на Баренцевом море является сезонная неравномерность ветра, при которой интенсивность ветра в осенние и зимние месяцы значительно выше, чем в летние. Данные показывают, что среднемесячная скорость ветра зимой более чем в 2 раза превышает среднемесячную скорость ветра летом, причем абсолютная разница скоростей составляет более 6 м/с. Средняя скорость ветра превышает значение 5 м/с, определяющее границу эффективности ветроэлектрических установок, причем совпадение максимума скоростей ветра с сезонным пиком потребления тепловой и электрической энергии является весьма важным для практического использования ветровой энергии.

Местность острова Харлов на Баренцевом море характеризуется высокой степенью открытости, а роза ветров довольно широка, с некоторым преимуществом ветра (30%) юго-западного направления.

Повторяемость направлений ветра т по своим направлениям сторон света (1=1,2, ...., 8) и соответствующие классы открытости Ка1 по Милевскому. Фактический класс открытости метеостанции Кф, определяемый по формуле (6), оказывается равным 8,85.

Значения среднегодовой скорости ветра в десятилетний период 1966-1975 гг. За данный период времени многолетняя средняя скорость ветра <у> составила 9,2 м/с, ее среднеквадратичное отклонение = 0,75 м/с и коэффициент вариации Су=8,2%.

Для построения аналитической функции распределения скорости ветра по фактическим данным повторяемости скоростей используется изложенный выше метод моментов, который основан на равенстве математических ожиданий первого и второго начальных моментов скорости (25) и (26), получаемых из распределения Вейбулла, экспериментальным оценкам соответственно среднего значения скорости и среднего квадрата скорости. Используя эти равенства, после вычислений получаем: 9,30 м/с.

Валовый потенциал ветровой энергии. В соответствии с вышеизложенным определением, валовый потенциал рассчитывается как суммарная энергия ветра, которая может быть использована системой ветроэлектрических установок с определенной высотой. На основании имеющихся исследований обтекания препятствий воздушными потоками принимается условие, что возмущенный поток полностью восстанавливается на расстоянии, равном 20И от каждой установки. Таким образом, полное использование энергии ветра высоте осуществляется ветроэнергетической системой, в которой ряды ветроэнергетических установок, ориентированных перпендикулярно направлению ветра, отстоят друг от друга на расстоянии, так что полная ветровая энергия, захватываемая установками на площади территории м2, в год, представляет валовый потенциал территории, кВт ч/год, который при удельной энергии ветра для острова Кызыл-Су равен 0,623 106 кВт ч/(м2 год), для острова Харлов 9,12108 кВтч/м2год.

Технический потенциал ветровой энергии. Технический потенциал региона представляет сумму технических потенциалов составляющих его зон. Технический потенциал для острова Кызыл-Су равен 9,8104 кВтч/год, для острова Харлов 9,12108 кВтч/год .

Экономические характеристики

ветроэлектрических установок. Ветровая энергия представляет один из наиболее дешевых возобновляемых источников энергии. Однако проблема широкого использования

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

ветроэлектрических установок в энергетике связана с их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционными системами.

Удельная стоимость производимой

электроэнергии и установленной мощности ветроэлектрических установок. В начале 80-х годов, когда в мире началось промышленное использование ветроэлектрических установок, средняя стоимость производимой ими электроэнергии составляла примерно 30 цент./(кВтч), что было значительно выше стоимости энергии от традиционных органических источников - нефти, угля и газа. За последние 15 лет стоимость электроэнергии от установок, подключенных к энергосистемам, снизилась более чем в 6 раз. В 1996 г. стоимость электроэнергии составляла менее 5 цент./(кВт ч) и была сравнима со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных топлив. Более того, в настоящее время, например, в Дании стоимость электроэнергии от ветроэлектрических станций меньше, чем от электростанций на угле.

За тот же 15-летний период удельная стоимость установленной мощности ветроэлектрических станций, подключенных к энергосистемам, уменьшилась в 4 раза с 4000 долл./кВт до 1000 долл./кВт.

Экономическая эффективность

ветроэлектрических установок в зонах централизованного энергообеспечения. Стоимость вырабатываемой электроэнергии, долл./(кВт ч) или манатов (ман) ман./(кВтч), и стоимость установленной мощности С, долл./кВт или ман./кВт, связаны с такими экономическими параметрами как срок окупаемости и срок службы установки. Предварительные экономические расчеты изменния скорости ветра и удельная стоимость срок окупаемости представлены на таблице в научных трудах.

По предварительным расчетам срок окупаемости ветроэлектрической установки для острова Кызыл-Су 2,3 года, для острова Харлов 1,8 года.

Как видно, экономические показатели, определяющие целесообразность и эффективность использования ветроэлектрических установок, сильно зависят от стоимости электроэнергии, получаемой от традиционных видов топлива. В зонах централизованного энергоснабжения стоимость довольно низка, что снижает экономический эффект использования энергии ветра. По тарифу 1999 г. в мире примерно 1,3 цента США/(кВтч), т.е. в несколько раз меньше стоимости электроэнергии, вырабатываемой ветроустановками. В тоже время наличие электрических сетей является благоприятным условием для подключения к ним ветроэлектрических установок и обеспечения их устойчивой работы [2-9, 12].

Экономический эффект использования автономных энергоустановок и региональные факторы стоимости гораздо больший экономический эффект имеет создание автономных ветроэлектрических установок в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, хотя при этом возникают определенные трудности обеспечения их устойчивой работы в условиях быстрого изменения скорости ветра, а также возможных длительных периодов затишья. Потребности населения и хозяйства указанных регионов в электроэнергии весьма велики, а стоимость традиционных видов топлива намного выше их стоимости в зонах централизованного получения и распределения энергии из-за транспортных расходов и потерь топлива при транспортировки. Исходя из этого, в стоимость топлива в регионе включается региональный фактор.

Водимый коэффициент >1 для различных регионов может изменять свою величину. В то же время удельная стоимость установленной мощности почти не изменяется в сравнении с ценами транспортных расходов. Поэтому при замене цены топлива на цену транспортных расходов в формулах рассчитываемый срок окупаемости атомных установок в зонах, удаленных от централизованных сетей, уменьшается, а экономический эффект возрастает пропорционально коэффициенту.

Необходимо также учитывать, что сегодня в Туркменистане цены на энергоносители имеют нерегулярный характер, подвержены постоянному росту и неравномерности по регионам Туркменистана, прежде всего из-за условий транспортировки. Поэтому решение вопроса об экономической целесообразности и эффективности использования ветроэлектрических установок, как и установок других нетрадиционных видов энергии, сильно зависит от местных климатических, географических и социально-экономических условий.

Экологические выгоды от внедрения ветроэнергетической установки. В

представленных выражениях, определяющих экономическую эффективность, не учитывается влияние вводимых установок на окружающую природу, на социальные условия жизни и деятельности человека, что в целом определяется как экологические условия. Возобновляемые источники энергии по сравнению с традиционными обладают важными преимуществом, заключенным в возможности обеспечения экологической чистоты вводимых установок, а в некоторых случаях -возможности улучшения экологической обстановки.

Одной из форм учета влияния вводимых источников энергии на экологию региона может быть введение в удельную стоимость получаемой энергии регионального экологического фактора источника, учитывающего относительные расходы на компенсацию вредных последствий ввода

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

единицы энергии того или иного источника в регионе. Если удельная стоимость источника энергии в производстве, то удельная стоимость с учетом коэффициент регионального экологического фактора, причем коэффициент регионального экологического фактора >1 для источника, приводящего к ухудшению экологической обстановки в регионе, и коэффициент регионального экологического фактора <1 - для источника, улучшающего экологическую обстановку в регионе; для одного и того же источника гэ в различных регионах может изменять величину, становиться больше или меньше единицы [1,10-12].

Рис. 5. Гистограмма экологического потенциала выработки ветроэнергии 300 Вт и 900 Вт с 1 м2 Fig. 5. The histogram of ecological potential of wind energy development of 300 W and 900 W from 1 m2

Таким образом, с учетом региональных факторов стоимости топлива и регионального экологического фактора, срок окупаемости и экономический эффект использования ветроэлектрической установки в общем случае определяются включением коэффициента регионального экологического фактора. На рисунке 5 представлена гистограмма экологического потенциала ветроэнергетической установки, вырабатывающей энергию 300 и 900 Вт/м2.

Ожидаемые возможности сокращения выбросов различных вредных веществ в окружающую среду в странах СНГ при использовании ветровой энергии составят:

- при выработке с 1 кв. м (300 Вт/м2) средняя годовая удельная энергия ветра равна 2,628 кВтч/м2год; она даст возможность сэкономить расход топлива 1,051 т/год, сократить вредные выбросы: диоксида серы SO2 -21,801 кг/год; оксида азота NOx - 11,82 кг/год; оксида углерода CO - 1,58 кг/год; метана CH4 -3,26 кг/год; твердых веществ - 2,371 кг/год; двуокиси углерода CO2 - 1,67955 т/год;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- при выработке с 1 кв. м (900 Вт/м2) средняя годовая удельная энергия ветра равна 7,88 кВтч/м2год, она даст возможность сэкономить расход топлива 3,15 т/год, сократить вредные выбросы: диоксида серы SO2 - 65,403 кг/год; оксида

азота МОх - 35,468 кг/год; оксида углерода СО -4,742 кг/год; метана СН4 - 9,78 кг/год; твердых веществ - 7,11 кг/год; двуокиси углерода СО2 -5,0386 т/год [1, 10, 12].

Выводы

Стремление человечества к улучшению условий жизни начинает приводить к изменению среды обитания. В то же самое время ответ на вызовы последних десятилетий лежит, что называется, на поверхности. Мы достигли того уровня знаний, когда энергию, столь необходимую для сбалансированного существования и движения вперед, можно добывать без нанесения вреда окружающему нас миру и использовать с гораздо большей эффективностью, чем это делается сегодня. Говоря языком экономики, человечество может и должно честно и ответственно делить мировой экологический рынок со всеми видами и формами жизни на Земле. Вопросы развития возобновляемых источников энергии актуальны и для Туркменистана, вступившего в стадию модернизации и инновационного роста.

Из аналитического обзора климатологических характеристик ветровой обстановки и теоретических расчетных формул потенциальные ресурсы энергии ветра характеризуются следующими показателями: скорость и сила ветра от 16 Вт/м2 (скорость - 20 м/с, сила - 10 балов) до 15000 Вт/м2 (скорость - 30 м/с, сила - 12 баллов). Теоретически на 1 м2 территории в зависимости от скорости ветра может быть использовано около 57% ветровой энергии, практически - не более 33%.

Для фонового районирования равнинных территорий по удельной мощности ветрового потока используются данные метеостанций, расположенных в открытой местности на плоских или выпуклых формах рельефа (классы открытости по Милевскому -6 б и выше, таблица 1. В соответствии с этим принципом для районирования европейской части стран СНГ и Туркменистана было отобрано около 420 метеостанций и выведены районы, соответствующие следующим шести диапазонам удельной мощности ветра, Вт/м2, на высоте 10 м: 1) <75, 2) 75-125, 3) 125-250, 4) 250-500, 5) 500-1000, 6) 1000-1500.

Наиболее перспективными для стран СНГ размещения ветроэнергетических установок является побережье морей и участки их шельфов. На шельфах морей удельная мощность ветрового потока достигает 1000-1500 Вт/м2, а на побережьях 5001000 Вт/м2, в то время как на удалений от побережий и в глубинных районах удельная мощность ветрового потока снижается и составляет 100500 Вт/м2.

Из представленных расчетов, рисунков и таблицы экоэнергетических ресурсов ветропотенциала видно, что на территории стран СНГ использование

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (125) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

ветроэнергетических установок будет эффективным, доступным средством энергосбережения и обеспечения экологической безопасности окружающей среды Земного шара.

Список литературы

1. Дурдыев А.М., Пенджиев А.М. Снижение энергетической антропогенной нагрузки на климатическую систему Туркменистана с помощью нетрадиционных источников энергии // Мат-лы межд. симп. по изменению климата. М., 2003.

2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Л.: «Гидрометеоиздат». 1989. Серия 3. Вып. 30. 520 с.

3. Захидов Р. А., Кисельева Е.И. и др. О прогнозной стоимости электроэнергии, вырабатываемой горизонтально-осевыми ветроэлектроустановками в некоторых районах Узбекистана // Гелиотехника №1. 2001. с. 76-85.

4. Колодин М.В. Энергетические ресурсы Каракумов // В кн. Пустыня Каракумы и пустыня Тар. Ашхабад: Ылым. 1992. С. 157-171.

5. Методика определения ветроэнергетических ресурсов и оценки эффективности использования ветроэнергетических установок на территории России и стран СНГ // Рекомендации по стандартизации. Ветроэнергетика. М., 1994. 78 с.

6. Пенджиев А.М., Маметсахатов Б. Д. Расчетная себестоимость возобновляемых источников энергии. Ашхабад: Международный научно-практический

журнал «Проблемы освоения пустынь». 2006. № 1. С. 46-48.

7. Пенджиев А.М. Эффективность использования ветроэлектроустановок в Туркменистане. Ашхабад: Проблемы освоения пустынь. № 1. 2004. С. 20-25.

8. Пенжиев А.М. Ветроэнергетика ресурсы Туркменистана. Ашхабад: Стандарт. 2004. № 4. С. 32-34.

9. Пенджиев А.М. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Туркменистане. Ашхабад: Проблемы освоения пустынь. 2005. № 2.

10. Пенжиев А.М. Изменение климата и возможности уменьшения антропогенных нагрузок / Монография. LAMBERT Academic Publishing. 2012. 166 с.

11. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. М.: Наука. 2003.

12. Стребков Д.С., Пенджиев А.М., Мамедсахатов Б .Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане / Монография. М.: ГНУ ВИЭСХ. 2012. 496 с.

13. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоиздат. 1990.

14. Penjiyev А. Renewable Energy Application for Independent Development of Small Settlements of Turkmenistan // Desert Technology. VII International Conference. November 2003. India.

15. Penjiyev А. Ecoenergy resources of greenhouse facilities in the arid zone. // Problems of desert development. 1998. № 5.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (125) 2013

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Пенджиев Ахмет Мырадович

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Пенджиев Ахмет Мырадович

Ecoenergy solar energy resources in Commonwealth of Independent States

Текст научной работы на тему «ЭКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В СТРАНАХ СОДРУЖЕСТВА НЕЗАВИСИМЫХ ГОСУДАРСТВ»