CC BY
65Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
УДК 62
К.И. Хомутова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
В статье рассмотрены возможности района Крайнего Севера как источник возобновляемой энергии ветра. Оценены возможности использования ветроэнергетических установок.
Ключевые слова: возобновляемый источник энергии, Крайний Север, ветроэнергетические установки, холодные климатические условия.
Особенность климата данного региона - зима продолжительностью до 300 дней в году, с морозами и снегом, морозы здесь достигают -35-50°С. За короткий летний период температура только иногда достигает +20°С. На этой территории дуют устойчивые и сильные ветра, тем более зимой и в переходные времена - весной и осенью. Здесь отмечается интенсивное потребление электрической и тепловой энергии населением и объектами промышленности.
Мировая статистика демонстрирует то, что в районах крайнего севера сконцентрирован большой ветроэнергетический потенциал. Но практически использовать можно лишь его небольшую часть. Главная причина этого - малая плотность населения (в среднем менее 0,1 человека на 1 км2), а также низкое потребление энергии, в абсолютных показателях.
В России наибольший потенциал из возобновляемых источников за энергией солнца и ветра, но ветровая энергия эффективна в ограниченных регионах - это Арктика, Крайний Север (рисунок 1).
© Хомутова К.И., 2019.
Рис. 1. Энергоресурсы России по среднегодовой скорости ветра
Ценность этой энергии повышается в том числе и потому, что в этих местах энергию солнца получить сложнее. К сожалению, развитие ветроэнергетики в этих регионах у нас весьма сдержанное. У нас нет необходимой базы для производства соответствующих устройств. А без энергии, в данном случае от ветроэлектростанций, такие районы довольно сложно развивать должным образом.
Население территорий Севера проживает в малых населенных пунктах. Здесь есть специфические объекты, такие как маяки, пограничные заставы, метеорологические станции, объекты специального назначения, характеризующиеся небольшим потреблением энергии и топлива, но при этом нуждающиеся в высокой надежности снабжения энергией. Такие потребители заинтересованы во внедрении ветроэнергетики в виде маломасштабных ветроэнергетических установок с разной степенью надежности.
Для рыболовецких деревень и аналогичных потребителей степень надежности энергоснабжения может быть не самой высокой, для них подойдут гибридные системы ветроэнергетических установок + ДЭС без аккумуляторных батарей. Но для систем навигации, связи и военных объектов источник питания электроэнергией должен быть очень надежным, и здесь необходимо применять одну или две ветроэнергетических установки одновременно с двумя дизельными генераторами и системой аккумулирования энергии.
Первым направлением развития ветряной энергетики в условиях Крайнего Севера и Заполярья является внедрение децентрализованных потребителей малых ВЭУ (отдельных и в составе гибридных схем с ДЭС и аккумуляторными батареями или с дизельными генераторами) в схемы энергоснабжения.
Следующее направление развития ветроэнергетики - применение ВЭУ в составе развитой электросети. Оно в большой степени зависит от промышленного развития региона в целом. Часто территории, находящиеся в областях с полярным или холодным климатом, имеют богатые запасы минеральных ресурсов, и поэтому промышленными объектами здесь в основном являются шахты, рудники, заводы по производству черных и цветных металлов. Металлургия - энергоемкая отрасль, поэтому вокруг таких образований промышленности имеются высоковольтные электросети, вспомогательные предприятия, дороги, т.е. вся необходимая инфраструктура.
Прибрежные зоны считаются наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра. Наиболее выгодным вариантом является строительство прибрежных ВЭУ.
Наиболее перспективным вектором развития энергетики Крайнего Севера являются автономные сверхпроводниковые ветроэлектростанции [4]. Стоимость ветроэлектростанции определяется радиусом ее колеса, как и отбираемая для работы ветряка энергия. Сверхпроводники позволяют по сравнению с медью ощутимо сократить потери. В среднем теряется обычно около 10% энергии ветра, а при применении сверхпроводников порядка 1%. Эта разница в потерях позволяет уменьшить диаметр колеса на 20%, а значит, и вес генератора и гондолы ветряка. Таким образом облегчаются условия и объемы доставки, монтажа и строительства, что необычайно актуально для климатических условия той же Арктики, куда не так просто привозить все необходимое. В итоге такой проект позволит сделать все дешевле, надежней, устойчивей, снизить пожароопасность. Благодаря устройству сверхпроводников, точнее сверхпроводниковым ограничителям тока (СОТ), такие генераторы никогда не загорятся, и не будет пожара на трансформаторе - аварийность резко снижается.
Использование энергии ветра в холодных климатических условиях имеет три положительных стороны.
Во-первых, у холодного воздуха плотность больше, чем у теплого, поэтому при той же скорости здесь выработка энергии выше.
При снижении температуры воздуха с +15 до -15°С мощность ВЭУ увеличивается на 11%.
Во-вторых, регионам с холодным климатом свойственно высокое удельное потребление электроэнергии и тепла.
В-третьих, в этих регионах высокие цены на тепло и электроэнергию, вырабатываемые в котельных и на электростанциях с применением угля, дизельного топлива или мазута в качестве топлива.
Перечисленные предпосылки являются стимулом для внедрения энергии ветра в энергетические системы потребителей Севера. Нужно помнить о том, что в регионах с суровым климатом повышение качества условий жизни имеет значение намного больше для населения, чем, например, в средней полосе России.
Ещё одна особенность эксплуатация ВЭУ в условиях Крайнего Севера состоит в том, что плотность воздуха выше, прямо пропорционально увеличивая энергию воздушного потока. Анализируя эти данные можно сделать вывод что район крайне благоприятен для использования ВЭУ. Добиться более высокой эффективности использования ветроресурсов данного участка можно с помощью увеличения высоты вет-роустановок. Здесь наблюдается прямо пропорциональная зависимость: чем выше высота, тем выше скорость ветра. В соответствии с высотами башен определение выработки для ВЭУ малой мощности проводится на высотах порядка 10-30 м, средней мощности 300-600 кВт - на высотах 30-50, для ВЭУ мегаватт-ного класса - на высотах 60-130 м. Увеличение высота башен ВЭУ, начиная с высот 70-80 м и в силу выхода высотных профилей скоростей ветра на примерно постоянные значения, не приводит к существенному выигрышу в их мощности и может не только улучшить, но и ухудшить экономические показатели ВЭУ (в силу нелинейного роста их стоимости с увеличением высоты башен). Увеличение высоты матч и башен ВЭУ малой и средней мощности с 20-30 м до 40-50 м даёт значительную прибавку к мощности (20-25%) и снижению себестоимости вырабатываемой ими энергии. При этом уровень средних скоростей на высоте 50 м оказывается примерно на 0,5-1,0 м/с ниже соответствующего уровня на высоте 100 м. Во всех регионах России скорость ветра в приземном 100-метровом слое растет с высотой, при этом основное увеличение скорости происходит в диапазоне 15-50 м. (60-75% от разности скоростей на высоте 100 м и 15 м). Зависимость удельной стоимости ВЭУ от высоты башни показана на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость удельной стоимости ВЭУ от высоты башни
Таким образом, использование ВЭУ в качестве автономного источника электроэнергии в условиях Крайнего Севера приводит:
1) К сокращению объёмов привозного (дизельного) топлива при совместной работе дизельных электростанций и ВЭУ. Совместное использование позволяет экономить до 45% дизельного топлива, вследствие чего снизится его завоз на север (около 200 тыс. тонн в год).
2) К улучшению экологической обстановки в эксплуатируемых районах благодаря снижению вредных выбросов в окружающую среду. Ветрогенератор номинальной мощностью 1 МВт способен сократить ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн 8Ох, 4 тонн NOx [5].
3) К улучшению энергетической безопасности отдалённых районов России за счёт самообеспеченности электроэнергией.
4) К снижению стоимости у конечного потребителя за счет сокращения затрат на транспортировку и распределение электроэнергии.
Библиографический список
1.Булгакова И. А. Особенности развития жилищно-коммунального хозяйства региона в условиях Крайнего Севера // В сб. Новое в экономике и управлении. Вып.8 МАКС Пресс, 2006. С 1- 3.
2.Николаев В. Г., Ганага С. В., Кудряшов Ю. И. Национальный кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения. М.: Атмограф, 2008. 581 с.
3.Сидоренко Г. И., Кудряшева И. Г., Пименов В. И. Экономика установок нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. СПб.: Издательство политехнического университета, 2009. 248 с.
4.Центр Энергетической Экспертизы. [Электронный ресурс]: Альтернативная энергетика. URL: http://www.energy-experts.ru (дата обращения: 16.10.2018).
5.Wind Energy and Wildlife: The Three C's. 6 с.
6.Правила устройства электроустановок, издание 7. М.: Энергия, 2018. 648 с.
ХОМУТОВА КСЕНИЯ ИГОРЕВНА - магистрант, Мурманский государственный технический университет, Россия.
