CC BY
3
© Кадырмятов Ю.Р., Денисова Н.В. УДК 620.9
К ВОПРОСУ О ВЕТРОГЕНЕРАЦИИ В ТАТАРСТАНЕ Кадырмятов Ю.Р., Денисова Н.В.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
yulian. [email protected]
Резюме: В данной статье представлен анализ территории Республики Татарстан на предмет возможности внедрения ветровых генераторов малой мощности для обеспечения электроэнергией. Главной целью исследования было определение экономических выгод от развития ветроэнергетики для микрохозяйств. Использовались данные о скоростях ветра в 27 районах республики, зарегистрированные на протяжении 2022 года. Актуальность исследования ветроэнергетических ресурсов и развития ветроэнергетики подтверждается множеством аналогичных исследований в разных странах мира, также подтверждается ежегодным ростом доли возобновляемой энергетики (солнечной и ветровой) в мировом производстве электроэнергии и важностью охраны экологии. Методы: эффективность использования ветрогенераторов на территории Татарстана была оценена путем сравнения стоимости, произведенной ими электроэнергии, со стоимостью электроэнергии, произведенной дизель-генератором и поставляемой сетевой компанией. Были проведены подробные расчеты и сделаны выводы о том, в каких условиях ветроэнергетика может стать более выгодной альтернативой для микрохозяйств. Результаты: анализ ветропотенциала территории показал, что значительная доля территории является подходящей для эффективной установки ветрогенераторов. Но в настоящее время строительство ветровых парков экономически не выгодно, поскольку Татарстан обладает разветвленной инфраструктурой традиционной энергетики. Однако, в перспективе, ветроэнергетика станет важной и необходимой. Выводы: чтобы полностью воспользоваться потенциалом ветра, Татарстану потребуется разработка и реализация соответствующих программ и инфраструктуры. Увеличение инвестиций и создание собственных технологических компаний, специализирующихся на ветроэнергетике, поможет республике достичь успеха в этой отрасли. Дальнейшие исследования и развитие в этой области помогут оптимизировать процессы и обеспечить устойчивое и экологически чистое энергоснабжение в регионе.
Ключевые слова: ветрогенератор; ВИЭ; энергоэффективность; ветроэнергетический потенциал; энергосбережение.
Для цитирования: Кадырмятов Ю.Р., Денисова Н.В. К вопросу о ветрогенерации в Татарстане // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2024. Т. 16. № 2 (62). С. 54-69.
ON THE ISSUE OF WIND GENERATION IN TATARSTAN Kadyrmyatov Y.R., Denisova N.V.
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
yulian. [email protected]
Abstract: This article presents an analysis of the territory of the Republic of Tatarstan for the possibility of introducing low-power wind generators to provide electricity. The main purpose of
the study was to determine the economic benefits of wind energy development for micro farms. The data on wind speeds in 27 districts of the republic, recorded during 2022, were used. The relevance of the study of wind energy resources and the development of wind energy is confirmed by many similar studies in different countries of the world, also confirmed by the annual growth in the share of renewable energy (solar and wind) in global electricity production and the importance of environmental protection. Methods: the efficiency of using wind turbines in Tatarstan was assessed by comparing the cost of electricity produced by them with the cost of electricity produced by a diesel generator and supplied by a grid company. Detailed calculations were carried out and conclusions were drawn about the conditions under which wind energy can become a more profitable alternative for micro farms. Results: the analysis of the wind potential of the territory showed that a significant proportion of the territory is suitable for the effective installation of wind turbines. But currently, the construction of wind farms is not economically profitable, since Tatarstan has an extensive infrastructure of traditional energy. However, in the future, wind energy will become important and necessary. Conclusions: in order to fully exploit the potential of wind, Tatarstan will need to develop and implement appropriate programs and infrastructure. Increasing investments and creating its own technology companies specializing in wind energy will help the republic achieve success in this industry. Further research and development in this area will help to optimize processes and ensure sustainable and environmentally friendly energy supply in the region.
Keywords wind turbine; renewable energy sources; energy efficiency; wind energy potential; energy saving.
For citation: Kadyrmyatov Y.R., Denisova N.V. On the issue of wind generation in Tatarstan.
KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2024. T. 16. No. 2 (62). P. 54-69.
Введение (Introduction)
Татарстан, расположенный в центре России, одновременно имеет развитую инфраструктуру электроснабжения и обладает благоприятными природными условиями для использования ветровой энергии, однако в настоящее время она фактически не используется. Анализ климатических данных показал наличие стабильных ветровых потоков на ряде территории региона, что открывает перспективы для установки ветровых генераторов малой мощности.
В данной статье приведены среднемесячные скорости ветра в 27 районах Республики Татарстан, на основе которых оценивалась эффективность использования ветрогенераторов на данной территории путём сравнения стоимости. произведенной ими электроэнергии, со стоимостью электроэнергии, произведенной дизель-генератором и поставляемой сетевой компанией.
Целью исследования является анализ скоростей ветра в Республике Татарстан, на основе которого можно сделать промежуточные выводы о территориальной подготовленности региона к развитию ветрогенерации.
Научная значимость исследования состоит в оценке ветропотенциала различных районов территории РТ, которая открывает новые возможности для развития ветрогенерации с целью обеспечения электроснабжения микрохозяйств.
Практическая значимость исследования заключается в определении районов, на территории которых, постройка ветряных электростанций наиболее целесообразна. Развитие ветрогенерации позволит уменьшить зависимость от традиционных источников энергии, снизить выбросы парниковых газов и антропогенную нагрузку. Во-вторых, за счет размещения ветрогенераторов непосредственно на месте производства энергии, сократятся энергетические потери, связанные с транспортировкой электричества.
Литературный обзор (Literature Review)
За последние годы ветроэнергетика стала одной из наиболее привлекательных и экологически чистых форм производства энергии. По данным Статистического обзора мировой энергетики Energy Institute, проведенного в 2023 году, мировое производство электроэнергии за счет солнечной и ветровой энергии достигло 14% [1]. Это значительное достижение, которое признано важным шагом в направлении устойчивого и экологически чистого будущего.
Исследования ветроэнергетических ресурсов проводятся во многих странах, таких как Китай, США, Германия, Туркменистан и других, что говорит о широком интересе к данной технологии и ее перспективном развитии на мировом уровне. Рассмотрим ряд подобных исследований, основываясь на которые была разработана методика проведения исследования:
1. Assessing the wind energy potential of China in considering its variability/intermittency. В настоящем исследовании предпринята первая попытка количественной оценки стоимости изменчивости/прерывистости ветровой энергии с помощью аккумуляторной системы хранения энергии с целью всесторонней оценки пространственного распределения возможности использования ветровой энергии в Китае. Исследование показало, что наиболее богатые ветровые ресурсы расположены на Тибетском плато, в коридоре Хэси, во Внутренней Монголии [2].
2. Who benefits from Renewable Electricity? The differential effect of wind power development on rural counties in the United States. В данной статье рассматривается вопрос равенства выгоды ветроэнергетических проектов в сельской местности по сравнению с более крупными мегаполисами. По результатам исследования сельские районы не в полной мере извлекают выгоду из экономических выгод от развития ветроэнергетики из-за своей небольшой и зачастую узкоспециализированной экономики [3].
3. Key factors influencing onshore wind energy development: A case study from the German North Sea region. Целью данной статьи является выявление факторов, способствующих и препятствующих развитию береговой ветроэнергетики вблизи природных заповедников, в частности, в регионе Ваттенмер в Нижней Саксонии. Результаты показывают, что факторы, положительно влияющие на развитие ветроэнергетики, превышают сдерживающие факторы. Ветровая энергетика, вероятно, выиграет от таких возможностей, как изменение климата, а также от сильных сторон отрасли, например, от конкурентоспособности ветра на рынке электроэнергии в Германии. Барьеры и неопределенности, влияющие на дальнейшее развитие сектора, связаны со строгими законами об охране окружающей среды и ограниченными пространственными возможностями для новых проектов [4].
4. Определение ветроэнергетических ресурсов в Туркменистане. В статье рассматривается вопрос по определению ветроэнергетических ресурсов в Туркменистане. Используя базы данные, полученные по метеостанциям в течении нескольких лет, выполняются расчеты ветроэнергетических ресурсов по регионам. В результате проведенных расчетов были определены запасы энергии ветра в регионе и для областей Туркменистана, а также определены оптимальные местоположения ветряных электростанций. Используя технические характеристики ветряной электростанции мощностью 2кВт, определена среднегодовая выработка электроэнергии, вырабатываемая ветроэлектростанцией различной мощности [5].
5. Analyzing wind energy potential using efficient global optimization: A case study for the City Gdansk in Poland. Основная цель данной статьи - предложить новый подход к расчету потенциала ветроэнергетического потенциала. С этой целью был предложен метод эффективной глобальной оптимизации (EGO) для подбора статистического распределения к данным скорости ветра, и производительность этого метода сравнивалась с генетическим алгоритмом (GA), моделируемым отжигом (SA) и дифференциальной эволюцией (DE). Показатели производительности показали, что EGO дает лучшие оценки по
сравнению с GA, SA и DE. На основе параметров Вейбулла, полученных с помощью EGO, были оценены потенциальная WE и потенциальный годовой доход для Гданьска, столицы Поморского воеводства в Польше, в случае наличия ветряных турбин городского типа в центре города [6].
6. Overview of the development and application of wind energy in New Zealand. В этой статье рассматривается история, современное состояние и будущие тенденции развития ветроэнергетики в Новой Зеландии. Обобщены основные проблемы текущего развития ветроэнергетики по сравнению с другими странами. Основные проблемы возникают из-за влияния двух культур, влияния окружающей среды, а также экономического и социального влияния из-за изменчивого характера ветровой энергии. Крайне важно безопасно и надежно хранить и эксплуатировать энергию в периоды пиковой выработки электроэнергии. В этой статье сравниваются семь основных технологий хранения энергии ветра и анализируется лучшее решение для хранения энергии ветра в Новой Зеландии [7].
Таким образом, актуальность исследования ветроэнергетических ресурсов и развития ветроэнергетики подтверждается множеством аналогичных исследований в разных странах. Это область с большим потенциалом, способная обеспечить устойчивый и экологически чистый источник энергии.
Однако, вопрос о возможности полного перехода на зеленую энергию до 2050 года остается открытым. Рассуждения по этому вопросу представлены в следующих исследованиях:
1. A global assessment: can renewable energy replace fossil fuels by 2050? В данном исследовании оценивалась эффективность использования восьми путей в сочетании для полного перехода от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии к 2050 году. Эти пути включали развитие возобновляемых источников энергии; повышение энергоэффективности; повышение энергосбережения; налоги на выбросы углерода; более справедливый баланс между благосостоянием человека и потреблением энергии на душу населения; системы ограничения и торговли; улавливание, утилизация и хранение углерода; и развитие атомной энергетики. Было обнаружено, что возобновляемые источники энергии производство необходимо будет увеличить в 6 или 8 раз, если спрос на энергию останется постоянным или увеличится на 50% по сравнению с уровнем спроса на энергию 2020 года. Ограничение роста мирового спроса на энергию в 2050 году на 25% по сравнению с уровнем 2020 года повысит вероятность достижения независимости от ископаемого топлива. Повышение энергоэффективности необходимо ускорить, превысив нынешние темпы примерно 1,5% в год [8].
2. Global Warming of 1.5 C: IPCC special report on impacts of global warming of 1.5 C above pre-industrial levels in context of strengthening response to climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty. В данном докладе рассматривается проблема повышения температуры воздуха, одной из причин которой являются выбросы углекислого газа в атмосферу. Также предлагаются пути смягчения воздействия увеличения температуры на окружающую среду и объясняется, почему повышение температуры на 1,5 C значительно лучше, чем более резкое увеличение [9].
Одним из существенных факторов, определяющих возможность расширения доли зеленой энергии до 100% к 2050 году, является политическая воля. Государства должны разработать и внедрить национальные стратегии, целевые планы и меры поддержки, чтобы обеспечить переход к возобновляемым источникам энергии. Также важно учесть экономическую сторону вопроса, и разработать механизмы, способные обеспечить устойчивую и экономически эффективную генерацию зеленой энергии.
Республика Татарстан (РТ) в 2019 году взяла на вооружение обновленную стратегию развития топливно-энергетического комплекса до 2030 года, в которой особое внимание уделялось развитию ветроэнергетики. Важная роль отводилась этому направлению, и до 2024 года планировалось ввести в эксплуатацию 3350 мегаватт мощностей ветрогенерации в России, в том числе 100 мегаватт на территории РТ.
Согласно распоряжению правительства Российской Федерации от 01.06.2021 № 1446-р планируется ввести более 12 ГВт мощности, генерируемой ВИЭ, до 2035 года. Также правительство планирует выделить денежные средства в размере 360 млрд рублей до 2035 года для финансирования проектов, основанных на генерации от возобновляемых источников энергии. Данная информация даёт представление о заинтересованности Российской Федерации в строительстве новых электрических станций, использующих ВИЭ.
Материалы и методы (Materials and methods)
Проанализировав научные материалы, представленные в литературном обзоре, можно выделить три основных метода оценки ветропотенциала:
1. Анализ данных метеорологических станций [2, 5].
2. Использование численных моделей расчёта скоростей ветра [3, 6].
3. Произведение наземных и аэрозондовых измерений [5, 10].
В основе данной статьи лежит метод анализа данных, предоставляемых метеорологическими станциями. Этот метод был выбран в связи с общедоступностью данных, необходимых для проведения исследования. Также преимуществом применения данного метода на территории Республики Татарстан является то, что на ней расположено много метеорологических станций, позволяющих разделить всю территорию на множество участков, обладающих уникальными показателями скорости ветра, что даёт возможность детально оценить потенциал использования энергии ветра для электроснабжения микрохозяйств. Нужно отметить, что произведение наземных и аэрозондовых измерений приносит более точный результат, но такой метод не целесообразно использовать для определения скоростей ветра во всей республики, из-за слишком больших затрат времени и ресурсов. Для получения более точных результатов исследования также применялись численные модели расчёта скоростей ветра. Таким образом, для оценки ветропотенциала необходимо применять комплексный подход, который включает в себя различные методы и инструменты анализа.
Ветроэнергетический потенциал характеризуется полной энергией ветра, которую он может передать ветрогенератору. В частности, энергия ветра определяется собственной скоростью, которая является вероятностной характеристикой, описывающей случайный процесс изменения ветроэнергетического потенциала. Для получения более-менее достоверной информации о скоростях ветра необходимо иметь выборку данных, собранных в течении 10 лет [10].
Для данной работы значения скоростей ветра брались с сайта gismeteo, так как он позволял получать посуточные значения скорости. Данные скорости ветра соответствуют скорости на высоте 10 метров [11]. Среднемесячная скорость ветра вычисляется по формуле 1.1
П
п
¿=1
Известно, что скорость ветра увеличивается, при удалении от подстилающей поверхности. Интенсивность увеличения скорости ветра зависит от шероховатости поверхности, характеризующейся высотой шероховатости Z0. В данной работе рассматривался закрытый тип поверхности = 1), характерный для деревень и окрестности городов. Зависимость скорости ветра от высоты можно определить по формуле 2. 1
(Н\
Ln{z)
Чх)
7н = 7Ф* /н'#(2)
1Лукутин Б.В., Муравлев И.О., Плотников И.А. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями: учебное пособие/ Б.В. Лукутин, И.О. Муравлев, И.А. Плотников - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2015. -128 с.
58
где Нф - высота флюгера, принимаемая 10 м., V,!, - скорость ветра на высоте флюгера. Для вычисления мощности, которую будет вырабатывать ветрогенератор, необходимо использовать формулу 3, характеризующую зависимость мощности от скорости ветра и параметров самого ветрогенератора. Значение, полученное по формуле, измеряется в м/с. 1
Рэл = ^0,5тгД2рКр?7#(3) где ^ = 0,42 - коэффициент использования энергии ветра; R - радиус ротора ветротурбины [м]; р = 1,2041 - плотность воздуха [кГ/м3]; - средняя скорость ветра [м/с]; ^ = 0,85 -КПД электромеханического преобразователя энергии. Значение, полученное по формуле, измеряется в Вт. 1
Для определения мощности вырабатываемой в течении, какого-либо временного интервала необходимо воспользоваться формулой 4.
И/ = Рэл * £#(4)
где Рэл - мощность вырабатываемая ветрогенератором, измеряется в кВт, t - период, в течении которого производилась выработка электроэнергии, в часах. Значение, полученное по формуле, измеряется в кВт*ч. 1
Для сопоставления вырабатываемой мощности с потребляемой, был взят обобщённый годовой график нагрузок жилого дома с электроплитой и водонагревателем общей мощностью 7,5 кВт, представленный на рисунке 1. Также будет рассмотрен вариант применения большого ветропарка для питания 100 стандартных жилых зданий общей мощностью 750 кВт.
Для проведения расчетов была выбрана модель ветрогенератора с оптимальным соотношением цена-качество. Выбор модели осуществлялся на основе анализа литературных данных [12, 13], что позволило определить подходящую систему с учетом финансовых возможностей и необходимых требований к качеству. Такой подход обеспечивает максимальную эффективность в работе ветрогенератора, приемлемый уровень надежности и долговечности.
Годовой график электрических нагрузок жилого дома
3000
2500
Рис.1. Годовой график электропотребления Fig.1. Annual schedule of electricity consumption of жилого дома a residential building
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Для расчётов будет применяться ветрогенератор модели 5/7 KW-48V LOW WIND, имеющий параметры, представленные в таблице 1 [14].
Таблица 1 Table 1
Технические параметры ветрогенератора Technical parameters of the wind turbine_
Номинальная мощность 5000 Вт
Диаметр лопастей 6 м
Номинальная скорость ветра 8 м/с
Максимальная мощность 7000 ВТ
Выходное напряжение 48 В
Стартовая скорость ветра 3 м/с
Минимальная высота мачты 12 м
Вес генератора 320 кг
*Источник: Паспорт ветрогенератора [14] Source: Wind generator passport [14].
Себестоимость 1 кВт*ч электроэнергии будет зависеть от общей стоимости оборудования. Ветрогенератор модели 5/7 KW-48V LOW WIND стоит 400000 рублей и имеет срок службы минимум 20 лет. Стоимость строительно-монтажных работ возьмём равной 20% от общей стоимости оборудования. Затраты на текущий ремонт и обслуживание станции примем равными 5% от общей стоимости оборудования. Для увеличения надёжности электроснабжения в варианте с одним жилым омом стоит применять АКБ, которые будут питать потребителей во время штиля. Для варианта, в котором рассматривается ветропарк, применение аккумуляторных батарей для резервирования электроснабжения не имеет смысла, в силу необходимости применения огромного количества аккумуляторных батарей.
Результаты и обсуждение (Results and discussions)
В процессе исследования был проведён анализ скоростей ветра в 27 контрольных точках, которые располагаются в районах небольших населённых пунктов. Территорию Татарстана можно разделить на 3 природно-географических района: Предволжье, Предкамье и Закамье. На территории Предволжья находится 5 контрольных пунктов, таких как: Гребени, Большое Шемякино, Большое подберезье, Камское устье и Урюм. На территории Предкамья находится 9 контрольных пунктов: Нармонка, Омары, Гарь, Белкино, Тагаево, Шумково, Кушкетбаш, Алалт и Нижняя русь. На территории Закамья находится 13 контрольных пунктов: Верхняя Кармалка, Каюки, Кубассы, Ниж. Уратьма, Щербень, Каркали, Ляки, Нижнее качеево, Бухарай, Иркен, Кулушево, Туруш, Асеево.
Анализируя полученные среднегодовые и среднемесячные скорости ветра, стоит учитывать минимальную скорость ветра, необходимую для начала работы ветроустановки. Для обоих рассматриваемых случаев начальная скорость ветра составляет 3 м/с. Учитывая данное условие, 10 контрольных точек является абсолютно непригодными для установки ветряных электрических станций, так как из-за маленькой средней скорости ветра ротор генератора ветроустановки не будет раскручиваться до начальной скорости, с которой начинается стабильная выработка электроэнергии.
Выделим контрольные точки, в которых среднегодовая скорость ветра находится в пределах от 3 до 4 метров в секунду. Таких областей, располагающихся вокруг наблюдаемых населённых пунктов, найдено в количестве 9 штук. Размещение ветряных установок в этих районах возможно, так как среднегодовая скорость ветра выше начального порогового значения, но в республике есть места, где среднегодовая скорость ветра превышает 4 м/с.
Рассмотрим местность, в которой среднегодовая скорость ветра находится в пределах от 4 м/с. Таких населённых пунктов 5. Перечислим их названия: Ляки, Урюм, Иркен, Каюки и Большое Шемякино.
В таблице 2 представлены скорости ветра в восьми контрольных точках с самой высокой и стабильной среднемесячной скоростью ветра на высоте 10 метров. Под
стабильностью подразумевается частота и размер отклонения среднемесячной скорости ветра от среднегодовой.
Таблица 2 Table 2
Районы с наибольшими скоростями ветра Areas with the highest wind speeds
Нармонка Гребени Большое Шемякино Каюки Ниж. Уратьма Ляки Иркен Урюм
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Январь 4,9 4,9 4,23 3,68 4,71 4,71 4,55 4,23
Февраль 5 5,03 4,29 4,19 5,14 5,14 4,93 4,29
Март 5,1 5,06 5 4 5,19 5,19 4,45 5
Апрель 4,8 4,83 4,33 3,9 5,17 5,17 5,06 4,33
Май 5,4 5,48 5,58 4,5 6,16 6,16 5,32 5,58
Июнь 5,5 5,57 5,03 4,9 5,33 5,33 5,03 5,03
Июль 4 4,06 3,58 3,94 4,53 4,53 3,29 3,58
Август 3,7 3,74 4 4,1 3,77 3,77 3 4
Сентябрь 4,7 4,7 3,97 4,3 4,53 4,53 3,87 3,97
Октябрь 4,5 4,58 4,13 4,68 4,9 4,9 4,35 4,13
Ноябрь 4,3 4,4 4,2 4,1 4,67 4,67 3,4 4,34
Декабрь 4,8 4,87 3,84 4,03 4,74 4,74 3,71 3,84
*Источник: Составлено авторами. Source: compiled by the author.
Проанализировав рисунок 2, можно сказать, что наибольшее отклонение среднемесячной скорости в большую сторону происходит в мае и июне, что делает эти месяцы наиболее эффективными. В свою очередь июль и август являются наименее эффективными месяцами в году для выработки электроэнергии, в связи с наименьшим показателем отношения среднемесячной скорости ветра к среднегодовой. Скорость ветра во всё остальное время наиболее приближена к среднегодовой скорости ветра.
На рисунке 3 можно наблюдать расположение всех населённых пунктов, в которых проводились замеры скоростей ветра, использованных для анализа приспособленности Республики Татарстан к постройке ветряных электрических станций. Рядом с пометкой о нахождении контрольной точки подписаны среднегодовые скорости ветра.
Рис. 2. Графики зависимостей отношения Fig. 2. Graphs of the dependence of the ratio of the среднемесячной скорости ветра к среднегодовой average monthly wind speed to the average annual от месяца wind speed from the month
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
оксары
■всчебсксарск
. 2,77
2,52
Арск
ч •■гЯР!
* Поляны4;
В м
Агрыз #
П
Сарапул'-;^
fj
7>V N J Нефгек
• 2,52
[''54 ^еаделецс^
Кукм'ор
3,88 • _____ ________________
I . ««- . Лензёлинск
• Иннополис оКуюки Набережные 3.71 '
«толбище .3,65 Нижнекамске челны 4,77 .4,725 3,87*
т r. . ^L «»Чистополь 4 Q 2.84 д
>.•' • 3,51 • о 4,9» о
Г 3,57 3,87
4,35 »4,19 ?«2 ' < •
^^Буинск .БошЗр^ » .
Тетюши
4,36. >
2,39
3,61
3,61
Альметьевск;'
К> * ° *
4,25.
Ульяновск
:''-;'\Лениногорске Бугульма
НурлаГ ° 2,42 г
2,71 V,-
Туймазы
Димитровград
^ Белебе^
4 %А Щ
Рис. 3. Среднегодовые скорости ветра на высоте Fig. 3. Average annual wind speeds at an altitude of 10 м. 10 m.
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Таблица 3 объединяет в себе результаты вычислений данных для питания одного жилого дома в районах села Ляки и Каюки, также для питания массива из 100 домов в районе с. Ляки, так как оно является самым перспективным местом установки ветрогенераторов по скорости ветра. Ун - скорость ветра на высоте 18 метров, находится по формуле 2. - мощность потребляемая нагрузкой в течении одного месяца. WE -мощность, которую вырабатывает один ветрогенератор модели 5/7 KW-48V LOW WIND в течении месяца, определяется по 4 формуле. N - необходимое число ветрогенераторов, для полного обеспечения потребителя электроэнергией. Рассмотрим процесс расчётов на примере января для одного жилого дома расположенного в районе села Ляки.
VH = 4,71 *
Чт)
5 , 9 1 м / с , где 4,71 берётся из таблицы 2, 18 следует из
параметров ветрогенератора.
Рэл = 0,42 * 0,5 * 7Г * З2 * 1,2041 * 5,913 * 0,85 = 1255,3 Вт вырабатываемая ветрогенератором при скорости 5,91 м/с.
мощность
Ж = 12 5 5,3 * 2 4 * — = 9 3 3,9 к Вт * ч ,
в 1000
мощность, выработанная одним
ветрогенератором за январь.
N = 2 384/9 3 3,9 = 3 , результат деления округляется в большую сторону. Для других месяцев расчеты производятся аналогично.
Таблица 3 Table 3
Сводная таблица расчётных данных электроснабжения одного жилого дома в районах села Ляки и села Каюки, и ста жилых домов в районе села Ляки Summary table of calculated data on the power supply of one residential building in the areas of the village ofLyaki and the village of Kayuki, and one hundred residential buildings in the area of the village of Lyaki
Жилой дом в районе села Жилой дом в районе села Массив жилых домов в
Ляки Каюки районе села Ляки
Месяц V., Wro "в, N V» Wro "в, N V» Wro Wв, N
м/с. кВт*ч кВт*ч м/с. кВт*ч кВт*ч м/с. кВт*ч кВт*ч
Январь 5,91 2384 933,9 3 3,68 2384 445,5 6 5,91 40516 933,9 44
Февраль 6,45 2153 1096,3 2 4,19 2153 593,9 4 6,45 36593 1096,3 34
Март 6,51 1693 1249,6 2 4 1693 572,1 3 6,51 28777 1249,6 24
Апрель 6,49 1638 1195,3 2 3,9 1638 513,1 4 6,49 27845 1195,3 24
Май 7,73 1693 2089,3 1 4,5 1693 814,5 3 7,73 28777 2089,3 14
Июнь 6,69 1363 1309,8 2 4,9 1363 1017,7 2 6,69 23161 1309,8 18
Июль 5,69 1408 830,9 2 3,94 1408 546,7 3 5,69 23934 830,9 29
Август 4,73 1408 478,9 3 4,1 1408 616,0 3 4,73 23934 478,9 50
Сентябрь 5,69 1985 804,1 3 4,3 1985 687,7 3 5,69 33736 804,1 42
Октябрь 6,15 2051 1051,6 2 4,68 2051 916,2 3 6,15 34862 1051,6 34
Ноябрь 5,86 1985 881,0 3 4,1 1985 596,2 4 5,86 33736 881,0 39
Декабрь 5,95 2384 951,9 3 4,03 2384 585,0 5 5,95 40516 951,9 43
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Как можно заметить, наибольшим количеством ветрогенераторов для варианта электроснабжения одного жилого дома в районе села Ляки является 3 штуки, из чего можно сделать вывод, что для обеспечения одного жилого дома электроэнергией необходимо 3 ветрогенератора модели 5/7 KW-48V LOW WIND.
Наибольшим количеством ветрогенераторов для варианта электроснабжения одного жилого дома в районе села Каюки является 6 штук, из чего можно сделать вывод, что для обеспечения одного жилого дома электроэнергией необходимо 6 ветрогенераторов модели 5/7 KW-48V LOW WIND. Причём для обеспечения электроэнергией в июне необходимо всего лишь 2 ветрогенератора, что показывает несбалансированное использование 6 установленных ветрогенераторов.
Наибольшим количеством ветрогенераторов для варианта электроснабжения массива из ста жилых домов является 50 штук, из чего можно сделать вывод, что для обеспечения массива из 100 зданий, при расположении ветропарка села Ляки, электроэнергией необходимо 50 ветрогенераторов модели 5/7 KW-48V LOW WIND.
В таблице 4 представлены результаты расчётов стоимости установки всех трёх вариантов электроснабжения.
Таблица 4 Table 4
Расчет стоимости строительства станций с ветрогенераторами Calculation of the cost of building stations with wind turbines
Строител
ьно-
Итог монтажн
Кол- Стоимост стоимос ые Итогова
Местно сть во потре бител Наименование модели ветрогенератора Кол -во Цена за шт. тыс. руб ь прочего оборудов ания, тыс. ти оборудо вания, работы (20% от стоимост я стоимос ть, тыс.
ей руб. тыс. руб. и оборудов ания), тыс. руб. руб.
Жилой Ветрогенератор
дом в с. 1 5/7 KW-48V LOW 3 400 200 1400 280 1680
Ляки WIND
Жилой Ветрогенератор
дом в с. 1 5/7 KW-48V LOW 6 400 400 2800 560 3360
Каюки WIND
Массив Ветрогенератор
домов в 100 5/7 KW-48V LOW 50 400 3500 23500 3500 28200
с. Ляки WIND
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Затраты на текущий ремонт и обслуживание станции можно принять равными 5% от стоимости оборудования. Предполагаемый период эксплуатации основных агрегатов равен 20 годам. Учитывая обще годовое потребление электроэнергии, можно рассчитать стоимость 1 кВт*ч. Значения данных параметров для трёх вариантов использования ветрогенераторов представлены в таблице 5.
На рисунке 4 представлено сравнение изменений стоимости 1 кВт*ч, который вырабатывается 3 ветрогенераторами в районе села Ляки, стоимости 1 кВт*ч, который поступает из общей сети электроснабжения. Изменения стоимостей учитывалось при годовой инфляции в районе 5 %. Стоимость электроэнергии из сети ежегодно увеличивается на значение инфляции.
Стоимость электроэнергии от ветрогенераторов увеличивается за счёт изменения стоимости обслуживания станции, которая также увеличивается на значение инфляции. Как можно заметить, разрыв стоимостей 1 кВт*ч от сети и от ветрогенераторов уменьшается, но 20 лет недостаточно для того, чтобы стоимость электроэнергии из сети перегнала стоимость 1 кВт*ч, выработанного ветрогенератором.
Таблица 5 Table 5
Расчет стоимости содержания станций с ветрогенераторами
Calculation of the cost of maintaining stations with wind turbines
Местность Кол-во потребителей Затраты на текущий ремонт и обслуживание, тыс. руб. в год. Затраты на окупаемость, тыс. руб. в год Годовое потребление электроэнергии, кВт*ч. Стоимость 1 кВт*ч, руб.
Жилой дом в с. Ляки 1 70 84 22145 6,95
Жилой дом в с. Каюки 1 140 168 22145 13,9
Массив домов в с. Ляки 100 1175 1410 376387 6,8
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Рис. 4. Изменение стоимости электроэнергии от Fig. 4. Change in the cost of electricity from the wind ветрогенератора и сети turbine and the grid
*Источник: Составлено авторами Source: compiled by the author.
Для удешевления электроэнергии, вырабатываемой ветряными электростанциями, в районах с развитой сетью общего электроснабжения, стоит использовать эту сеть для
резервирования питания. В Татарстане большая часть населённых пунктов подключена к общему электроснабжению, что позволяет реализовать подобное резервирование.
Заключение (Conclusions)
Рассчитанная в статье минимальная стоимость ветроэнергии в Республике Татарстан составляет 6,8 руб. за 1 кВт*ч. Средняя стоимость 1 кВт*ч вырабатываемого дизельгенератором составляет 20 рублей, а средняя стоимость электроэнергии предоставляемой сетевой компанией составляет 3,6 рубля для загородных домов. Из этого можно сделать вывод, что заменять ветряками традиционные способы выработки электроэнергии на территории Республики Татарстан не имеет смысла. А вот заменять дизельгенераторы или комбинировать их с ветряными электростанциями может быть целесообразно около таких контрольных точек как: Нармонка, Гребени, Большое Шемякино, Каюки, Ниж. Уратьма, Ляки, Урюм, Курбасы и Омары. На всей другой территории Республики Татарстан использование ветрогенераторов не является целесообразным.
Проведенное исследование показало, что выработка энергии ветрогенераторами является более затратной, чем производство энергии на тепловых электростанциях (ТЭЦ). Однако согласно международным обзорам, в энергетической сфере наблюдается устойчивая тенденция к снижению стоимости ветровой энергии.
Одновременно с этим, стоимость традиционных ископаемых топлив постепенно увеличивается из-за растущего спроса и ограниченных запасов. В то время как энергия, получаемая на ТЭЦ, дорожает, стоимость производства электроэнергии при помощи ветровых установок снижается. Таким образом, с каждым годом ветроэнергетика становится все более привлекательной с точки зрения экономики и достижения экологических целей.
Во всем мире развитие и поддержка ветровой энергетики осуществляются путем предоставления льготных тарифов, которые стимулируют инвестиции в данную отрасль.
В России, затраты на развитие ветровой энергетики компенсируются через механизм долгосрочной договорной цены на мощность (ДИМ), согласно которому в течение 15 лет возмещаются затраты и гарантируется доходность в 12% годовых. Данный механизм является целевой поддержкой развития ветровой энергетики в России, он способствует производству отечественных ветровых турбин, развитию технологий, созданию новых рабочих мест и в целом оказывал положительное влияние на экономику страны.
В условиях санкций и продолжающейся СВО происходят изменения в стратегии развития энергетики, но тенденция на углеродную нейтральность в России и в мире сохраняется.
Литература
1. Statistical Review of World Energy 2023 | 72nd edition Available at:
https://www.energyinst.org/_data/assets/pdf_file/0004/1055542/EI_Stat_Review_PDF_single_3.pdf,
Accessed: 14.03.2024.
2. Gao Y. et al. Assessing the wind energy potential of China in considering its variability/intermittency //Energy Conversion and Management. - 2020. - Т. 226. - С. 113580., Available at: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113580, Accessed: 14.03.2024.
3 Shoeib E. A. H., Renski H. C., Infield E. H. Who benefits from Renewable Electricity? The differential effect of wind power development on rural counties in the United States //Energy Research & Social Science. - 2022. - Т. 85. - С. Available at: 102398.https://doi.org/10.1016/j.erss.2021.102398, Accessed: 14.03.2024.
4 Kiunke T. et al. Key factors influencing onshore wind energy development: A case study from the German North Sea region //Energy Policy. - 2022. - Т. 165. - С. 112962. Available at: https://doi.org/10.1016/).enpol.2022.112962, Accessed: 14.03.2024.
5 Сарыев К.А. Определение ветроэнергетических ресурсов в Туркменистане. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020;22(6):143-154.
6 Aydin O. et al. Analyzing wind energy potential using efficient global optimization: A case study for the City Gdansk in Poland //Energies. - 2022. - Т. 15. - №. 9. - С. 3159. Available at: https://doi.org/10.3390/en15093159, Accessed: 14.03.2024.
7 Zhang Z. et al. Overview of the development and application of wind energy in New Zealand //Energy and Built Environment. - 2023. - Т. 4. - №. 6. - С. 725-742. Available at: https://doi.org/10.1016/j.enbenv.2022.06.009, Accessed: 14.03.2024.
8 Holechek J. L. et al. A global assessment: can renewable energy replace fossil fuels by 2050? //Sustainability. - 2022. - Т. 14. - №. 8. - С. 4792. Available at: https://doi.org/10.3390/su14084792, Accessed: 14.03.2024.
9 Masson-Delmotte V. et al. Global Warming of 1.5 C: IPCC special report on impacts of global warming of 1.5 C above pre-industrial levels in context of strengthening response to climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty. - Cambridge University Press, 2022.
10. Насырова Е.В., Тимербаев Н.Ф., Леухина О.В., Мазаров И.Ю. Анализ данных ветромониторинга в Республике Татарстан. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019;21(6):39-50.
11. Gismeteo (электронный ресурс). Доступно по: https://www.gismeteo.ru/, ссылка активна на 14.03.2024
12. Лаврик А.Ю., Жуковский Ю.Л., Лаврик А.Ю., Булдыско А.Д. Особенности выбора оптимального состава ветро-солнечной электростанции с дизельными генераторами. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020;22(1):1.0-1
13. Будзко И. А. Электроснабжение сельского хозяйства/ И. А. Будзко, Т. Б. Лещинская, В. И. Сукманов. - М.: Колос, 2000. - 536 с.
14. Паспорт ветрогенератора (Электронный ресурс). Доступно по: http://www.vetrogenerator.ru/pdf/windgen_5kwt.pdf, ссылка активна на 14.03.2024.
15. Шерьязов С.К., Исенов С.С., Искаков Р.М., Кайдар А.Б. Основные типы ветротурбин-генераторов в системе электроснабжения. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021;23(5):24-33.
Авторы публикации
Кадырмятов Юлиан Ряшитович - студент, Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Email: [email protected].
Денисова Наталья Вячеславовна - канд. физ-мат. наук, доцент каф. «Электроснабжение промышленных предприятий (ЭПП)» Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Email: [email protected].
References
1. Statistical Review of World Energy 2023 | 72nd edition Available at:
https://www.energyinst.org/_data/assets/pdf_file/0004/1055542/EI_Stat_Review_PDF_single_3.pdf,
Accessed: 14.03.2024.
2. Gao Y. et al. Assessing the wind energy potential of China in considering its variability/intermittency //Energy Conversion and Management. - 2020. - Т. 226. - С. 113580., Available at: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113580, Accessed: 14.03.2024.
3 Shoeib E. A. H., Renski H. C., Infield E. H. Who benefits from Renewable Electricity? The differential effect of wind power development on rural counties in the United States //Energy Research & Social Science. - 2022. - Т. 85. - С. Available at: 102398. https://doi.org/10.1016/j.erss.2021.102398, Accessed: 14.03.2024.
4 Kiunke T. et al. Key factors influencing onshore wind energy development: A case study from the German North Sea region //Energy Policy. - 2022. - Т. 165. - С. 112962. Available at: https://doi.org/10.1016/).enpol.2022.112962, Accessed: 14.03.2024.
5 Saryev K.A. Determination of wind energy resources in Turkmenistan. News of higher educational institutions. ENERGY PROBLEMS. 2020;22(6):143-154.
6 Aydin O. et al. Analyzing wind energy potential using efficient global optimization: A case study for the City Gdansk in Poland //Energies. - 2022. - Т. 15. - №. 9. - С. 3159. Available at: https://doi.org/10.3390/en15093159, Accessed: 14.03.2024.
7 Zhang Z. et al. Overview of the development and application of wind energy in New Zealand //Energy and Built Environment. - 2023. - Т. 4. - №. 6. - С. 725-742. Available at: https://doi.org/10.1016/j.enbenv.2022.06.009, Accessed: 14.03.2024.
8 Holechek J. L. et al. A global assessment: can renewable energy replace fossil fuels by 2050? //Sustainability. - 2022. - Т. 14. - №. 8. - С. 4792. Available at: https://doi.org/10.3390/su14084792, Accessed: 14.03.2024.
9 Masson-Delmotte V. et al. Global Warming of 1.5 C: IPCC special report on impacts of global warming of 1.5 C above pre-industrial levels in context of strengthening response to climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty. - Cambridge University Press, 2022.
10. Nasyrova E.V., Timerbaev N.F., Leukhina O.V., Mazarov I.Yu. Analysis of wind monitoring data in the Republic of Tatarstan. News of higher educational institutions. ENERGY PROBLEMS. 2019;21(6):39-50.
11. Gismeteo. Available at: https://www.gismeteo.ru/, Accessed: 14.03.2024.
12. Lavrik A.Yu., Zhukovskii Yu.L., Lavrik A.Yu., Buldysko A.D. Features of choosing the optimal composition of a wind and solar power plant with diesel generators. News of higher educational institutions. ENERGY PROBLEMS. 2020;22(1):1.0-1
13. Budzko I. A. Power supply of agriculture/ I. A. Budzko, T. B. Leshchinskaya, V. I. Sukmanov. - M.: Kolos, 2000. - 536 p.
14. Passport of the wind generator. Available at: http://www.vetrogenerator.ru/pdf/windgen_5kwt.pdf, Accessed: 14.03.2024.
15. Sher'yazov S.K., Isenov S.S., Iskakov R.M., Kaidar A.B. The main types of wind turbines are generators in the power supply system. News of higher educational institutions. ENERGY PROBLEMS. 2021;23(5):24-33.
Authors of the publication
Kadyrmyatov Julian Ryashitovich - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Email: [email protected].
Denisova Natalia Vyacheslavovna - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Email: [email protected].
Шифр научной специальности: 2.4.2. Электротехнические комплексы и системы
Получено 28.02.2024 г.
Отредактировано 24.05.2024 г.
Принято 2 7.05.2024 г.
