CC BY
137
11. Алиферов А.И., Лупи С. Электроконтактный нагрев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - 224 с.
12. Аладьев В.З. Эффективная работа в Maple 6/7. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 336 с.
---------♦'----------
УДК 621.548(571.51) А.В. Бастрон, Н.Б. Михеева, А.В. Чебодаев
К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В АПК КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ,
РЕСПУБЛИК ХАКАСИЯ И ТЫВА
В статье рассматриваются особенности применения ветроэнергетических установок на территории Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва. Предложены методики определения выработки электрической энергии данным способом, а также ее себестоимости, получаемой от ветроэнергетических установок и дизельгенератора.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, дизельгенератор, районирование, ветровой кадастр, выработка электрической энергии, себестоимость.
A.V. Bastron, N.B. Mikheyeva, A.V. Chebodayev
TO THE PROBLEM OF THE WIND-DRIVEN ELECTRIC PLANT USE IN AGRARIAN AND INDUSTRIAL COMPLEXES OF KRASNOYARSK REGION, KHAKASSIA AND ТYVA REPUBLICS
Peculiarities of the wind-driven electric plants application on the territory of Krasnoyarsk region, Khakassia and Tyva Republics are considered in the article. Techniques for determination of electric energy production in the given way, and its cost price received from the wind-driven electric plants and diesel generator are offered.
Key words: wind-driven electric plant, diesel generator, division into districts, wind cadastre, electric energy production, cost price.
Целесообразность использования той или иной ветроэнергетической установки (ВЭУ) для энергообеспечения нужд АПК Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва (производственных, коммунальнобытовых и прочих) зависит от расчетной мощности объекта энергообеспечения, его электропотребления и себестоимости производимой от ВЭУ электрической энергии (ЭЭ).
В свою очередь, себестоимость ЭЭ напрямую зависит от количества произведенной ВЭУ ЭЭ (выработки ЭЭ ВЭУ). Выработка ЭЭ зависит от обеспеченности ветровыми ресурсами интересующего нас района. Таким образом, на себестоимость ЭЭ непосредственное влияние оказывает повторяемость скоростей ветра.
Ветер представляет собой случайный неуправляемый природный процесс, вызванный взаимодействием Солнца и Земли [1-3]. Характерные особенности ветра, как источника энергии, заключаются в его непостоянстве. Кинетическая энергия ветрового потока изменяется в больших пределах даже в течение относительно небольших промежутков времени, поэтому мощность, развиваемая ветроэнергетической установкой, не является постоянной. Малая плотность воздуха - причина относительно низкой концентрации энергии в потоке, приходящейся на единицу площади его поперечного сечения.
Для повышения эффективности использования энергии ветра в определенном районе важно, чтобы скорости ветра различных градаций были более равномерно распределены на протяжении всего года, а вероятность буревых скоростей ветра была бы минимальной. Использовать буревые ветры обычно невыгодно, так как они повторяются относительно редко. Считается, что использование ВЭУ является экономически выгодно там, где средняя скорость ветра превышает определенную величину (как правило, 5 м/с) [2], а кривая распределения дает наиболее частую повторяемость скоростей в пределах 5-10 м/с.
Ветроэнергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50-70 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую ценность ветра, как отмечалось выше, является его скорость. Для определения скорости необходимо использовать данные ветроэнергетического кадастра [2].
Ветроэнергетический кадастр представляет собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих выявить его энергетическую ценность и определить возможные режимы работы ВЭУ [1-2].
По результатам районирования территории Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва [1; 4] по среднегодовой скорости ветра были определены семь характерных ветровых зон, которые представлены на рис. 1-2.
Вероятность распределения скоростей ветра по градациям p, о.е. в рассматриваемых ветровых зонах описывается четырехпараметрическим уравнением Гриневича [1], имеющим вид:
д = а
Ау
у
•ехр
г \й
У
\у 1
(1)
где V - средняя скорость ветра за рассматриваемый период времени, м/с;
Дv - интервал градации скорости, м/с;
V - скорость ветра, повторяемость которой p ищется в интервале от V - Дм/2 до V + Дм/2, м/с; a, Ь, ^ d - параметры уравнения.
Рис. 1. Районирование Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва по ветровым зонам
(северные районы Красноярского края)
с
Рис. 2. Районирование Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва по ветровым зонам (центральные и южные районы Красноярского края, Республики Хакасия и Тыва)
Параметры уравнения Гриневича по ветровым зонам представлены в таблице. Подставляя их в выражение 1, можно определить распределение повторяемостей скорости ветра с любым интервалом, например, 1 м/с (рис. 3).
Параметры уравнения Гриневича по ветровым зонам Красноярского края, республик Хакасия и Тыва
Ветровая зона Параметры уравнения Гриневича по ветровым зонам
э Ь с а
I 1,731 1,01 1,045 1,45
II 1,735 1,06 1,043 1,46
III 1,801 1,09 1,046 1,52
IV 1,755 1,08 1,044 1,48
V 1,690 1,28 1,034 1,45
VI 1,531 1,16 1,029 1,3
VII 1,478 1,11 1,027 1,25
Рис. 3. Кривые повторяемости скоростей ветра по градациям, по ветровым зонам Красноярского края,
Республик Хакасия и Тыва
Немаловажное значение играет высота центра вращения ветроколеса ВЭУ, так как при ее росте увеличивается и скорость ветра, соответственно ВЭУ выработает больше ЭЭ. Скорость ветра в приземном слое до 300 м определяется по уравнению
Г , Л0-5
И И
\ПИ У
(2)
где ^ - скорректированная скорость ветра в ьм диапазоне на высоте И, м/с;
- скорость ветра, замеренная на высоте Ия, м/с.
Если высота мачты составляет более 12 м, необходимо провести корректировку скорости ветра от высоты. Тогда номинальная мощность ВЭУ определяется выражением [1]:
Рн = 4,81 • 10”4!)2 ■ у1 ■ ■ г/г, кВт,
(3)
Ук ~ УИ
где О - диаметр ветроколеса, м;
\'к - скорректированная скорость ветра, м/с;
£ - коэффициент использования ветрового потока;
Лр, Лг - КПД редуктора и генератора.
Количество произведенной за ]-й месяц ветроэлектрическим агрегатом электроэнергии Ж., кВгч рассчитываем по уравнению (4):
№ ±Г,-р,-Щ-и (4)
' 100
где Ж. - выработка электроэнергии, произведенной ВЭУ за ]-й месяц, кВгч; р - мощность установки в ьм диапазоне скоростей ветра, кВт;
Р - повторяемость скоростей ветра по градациям в ьм диапазоне скоростей ветра за ]-й месяц; т - число дней в ] -м месяце;
п - число градаций в диапазоне скоростей от умш до .
Разные типы ВЭУ имеют различные технические и энергетические характеристики. Для определения наиболее подходящих из них для конкретного типа местности применяется коэффициент использования установленной мощности [2]:
Ж
(5)
Р ■ Т
1 ном 1
где К - коэффициент использования установленной мощности;
W - выработка энергии ВЭУ за время T, кВтч;
^ном - установленная мощность ВЭУ, кВт;
Т - промежуток времени, ч.
Использование ВЭУ считается эффективным при К >0,25. По известному коэффициенту К^ определяем количество часов использования установленной мощности ветроэнергетической установки за время Т.
№-Т-К„ (6)
где ЬВЭУ - использование установленной мощности, ч.;
Т - промежуток времени, ч;
К^ - коэффициент использования установленной мощности, отн.ед.
Рассмотрим возможность использования ВЭУ на предприятиях АПК на примере содержания коров на летних пастбищах. Расчетная мощность оборудования в таком случае будет составлять от 3 кВт (при использовании вакуумного или водокольцевого насоса для доения) до порядка 10-20 кВт (в зависимости от мощности оборудования для первичной переработки молока). Поэтому в наших расчетах приняты ветроэнергетические установки ОАО ЦКТФПГ «Сибагромаш» (4 кВт), ЛМВ10000 (10 кВт) [5] и ЭСО 0020 (20 кВт) и соизмеримые по мощности дизельные (или бензиновые) электростанции.
Расчеты выработки ЭЭ и себестоимости 1 кВтч ЭЭ от ВЭУ и дизельных (бензиновых) электростанций проводились в разработанных нами электронных таблицах Excel по методике, описанной в [1], с учетом районирования территории Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва по семи ветровым зонам, проведенного нами [1] (рис. 6-8).
Расчеты показывают, что ВЭУ ОАО ЦКТФПГ «Сибагромаш» (4 кВт) можно использовать в 1-3 ветровых зонах с коэффициентом использования установленной мощности более 0,25 (рис. 4). При этом в ветровых зонах с 4-й по 7-ю наблюдается ярко выраженная неравномерность выработки электрической энергии
по месяцам в течение года (рис. 5), что объясняется годовым ходом средних скоростей ветра. Провал графика средних скоростей ветра приходится на летние месяцы по всем ветровым зонам, а также на зимние месяцы в 4-7 ветровых зонах.
Применение ВЭУ в летний период в данных зонах имеет низкую обеспеченность ветровыми ресурсами, возможны штилевые периоды до 3-4 дней. В связи с этим необходимо предусмотреть резервный источник электроснабжения (аккумуляторные батареи, дизельные электростанции и т.д.). В свою очередь, дополнительные капиталовложения, например, в аккумуляторные батареи и инверторы, приведут к увеличению себестоимости электрической энергии почти в два раза (см. рис. 6).
Рис. 4. Годовая выработка электроэнергии от ВЭУ "Сибагромаш" (г. Рубцовск) мощностью 4 кВт
по ветровым зонам
Следовательно, себестоимость электроэнергии, произведенной ВЭУ в летний период, например, при использовании ее для энергообеспечения доильной установки в летнем лагере, увеличится еще в два раза.
900.00
800.00
О
ё 700,00
з н 600,00
И и 500,00 и ^
К
^ 5 400,00
ей ^
Ъ£ Р-
£ ^ 300,00
Ю Л
200,00 И 100,00
0,00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Месяцы
Рис. 5. Выработка ЭЭ от ВЭУ "Сибагромаш" 4 кВт в г. Ачинске по месяцам (4-я ветровая зона)
При расчетах себестоимости ЭЭ учитывалась составляющая стоимости доставки ВЭУ к месту ее эксплуатации, а также стоимость доставки топлива. Если в случае с ВЭУ этот показатель практически не влияет на увеличение себестоимости ЭЭ, то в случае с ДЭС, работа которой предполагает потребление достаточно значительных объемов топлива, приводит к увеличению себестоимости до 1,5 руб. за 1 кВгч.
20,00
18,00
1б:00
14,00
12.00
со 10,00
8.00
ц- 6.00
Г-)
4.00
2.00
0.00
|
12 00 2 1000 8( 0 6С 0 4( )0 2 )0
Ветровая зона. Расстояние, км “ВЭУ Снбагромаш “Бензогенератор ТСС ЭЛАБ-2200 X "ВЭУ Сибатромаш+инвертор+аккумуяятор
Рис. 6. Себестоимость выработки 1 кВтч от ВЭУ «Сибагромаш» и бензоэлектрогенератора по ветровым зонам с учетом расстояния доставки
Рис. 7. Себестоимость выработки 1 кВт ч от ВЭУЛМВ 10000 и дизельэлектрогенератора по ветровым зонам с учетом расстояния доставки
20.00
18;00
16,00
14,00
- 12,00
н со 10,00
т \о 8,00
& 6,00
и 4,00
2,00
0,00
/
У
> /
12 00 10 00 00 )0 6С ю 5 40 0 2С )0
-ЭСО 0020
Ветровая зона. Расстояние, км
—■-Дизельгенератор ТСС ЭЛАД-19 ЭАЗ
Рис. 8. Себестоимость выработки 1 кВт ч от ВЭУ ЭСО 0020 и дизельэлектрогенератора по ветровым зонам с учетом расстояния доставки
Выводы
1. Потенциальные ветроэнергетические ресурсы Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва при переходе от первой к седьмой ветровой зоне изменяются от 21,852 до 1,104 ГДж/м2. Технические ветроэнергетические ресурсы в зависимости от конструктивных особенностей ВЭУ изменяются при этом от 5,945 до
0.279.ГДж/м2, а удельная мощность ветра, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения воздушного потока, изменяется от 682 до 35 Вт/м2.
2. Выработка электроэнергии от ВЭУ носит сезонный характер. Применение ветроэнергетических установок для автономного электроснабжения ответственных электроприемников, требующих качества электроэнергии в соответствии с ГОСТ, делает необходимым использование выпрямителей (для преобразования переменного тока в постоянный), аккумуляторов электрической энергии (для хранения энергии при ее излишках и использования ее во время штиля или при скорости ветра ниже пусковой ВЭУ) и инверторов (для преобразования из постоянного тока в переменный с качеством, соответствующим ГОСТ). При значительных периодах штиля целесообразно использование ветродизельных установок или резервирование ВЭУ ДЭС.
3. Себестоимость производства электроэнергии от дизельных (бензиновых) электростанций составляет от 6 до 14 руб за кВгч и соизмерима с себестоимостью электроэнергии, полученной от ветроэнергетических установок в третьей и четвертой ветровых зонах, что однако в 5-10 раз выше цены на электроэнергию, получаемую потребителями в ОАО «Красноярскэнергосбыт». В пятой, шестой и седьмой зонах использование ветроэнергетических установок неэффективно.
4. При определении места установки ВЭУ необходимо находить ветровые коридоры, то есть места с повышенной скорость ветра и стабильной ветровой активностью. К таким местам могут относиться открытые степные и водные открытые пространства, склоны холмов и возвышенностей с ветреной стороны, ущелья и т.д.
5. Изменяя высоту вращения центра ветроколеса, можно добиться увеличения выработки ЭЭ за счет повышения скорости ветра. При увеличении высоты вращения ветроколеса до 20 м можно получить среднее приращение скорости ветра на 0,82 м/с. При увеличении высоты вращения ветроколеса до 30 и 40 м можно получить среднее приращение скорости ветра на 1,35 и 1,76 м/с соответственно. Увеличение высоты вращения ветроколеса на 10 м в среднем дает увеличение выработки на 20 %. Увеличив высоту вращения до 50 м, можно увеличить выработку электрической энергии в 1,7-2 раза.
Литература
1. Использование ветроэнергетических установок в Красноярском крае, Республиках Хакасия и Тыва
для горячего водоснабжения усадебных домов (коттеджей): науч.-практ. рекомендации / А.В. Бас-трон, Н.Б. Михеева, Н.В. Цугленок [и др.]; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2004. - 103 с.
2. Дьяков А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы раз-
вития. - М.: Изд-во МЭИ, 1996. - 220 с.
3. Кирюшатов А.И. Использование нетрадиционных возобновляющихся источников энергии в сельско-
хозяйственном производстве. - М.: Агропромиздат, 1991. - 96 с.
4. Чебодаев А.В., Бастрон А.В. Районирование Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва по ветровым зонам // Промышленная энергетика. - 2002. - № 8. - С. 48-52.
5. http://www.lvmvetr.narod.ru.
