CC BY
16ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 30.11.12. Ред. рег. № 1459 The article has entered in publishing office 30.11.12. Ed. reg. No. 1459
УДК 620.9
ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО КОМПЛЕКСА
А.А. Бельский, Э.В. Яковлева
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» Кафедра электротехники, электроэнергетики, электромеханики 199106, Санкт-Петербург, 21 линия, д. 2 Тел.: (812) 328-86-67, моб. тел.: 8-921-375-46-19, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 03.12.12 Заключение совета экспертов: 07.12.12 Принято к публикации: 09.12.12
В статье рассмотрена возможность применения возобновляемых источников энергии на территории России. Рассчитан теоретически возможный технический валовый потенциал солнечного излучения, выявлены перспективы применения солнечных фотоэлектрических модулей в системах электроснабжения горнодобывающей промышленности. Рассмотрена проблема выбора ветроэлектрической установки (ВЭУ) с заданными номинальными параметрами, максимально соответствующей ветроэнергетическому потенциалу региона в месте ее установки. Определены основные номинальные (паспортные) параметры ВЭУ, влияющие на эффективность ее работы, и предложен алгоритм расчета годового количества вырабатываемой ВЭУ электроэнергии.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, валовый технический потенциал солнечной энергии, ветроэлектрическая установка, эффективность, годовая выработка, номинальные параметры.
JUSTIFICATION OF THE POSSIBILITY OF RENEWABLE ENERGY SOURCES APPLICATION FOR POWER SUPPLY OF OBJECTS OF MINERAL RESOURCES INDUSTRY
A.A. Belskiy, E.V. Iakovleva
National University of mineral resources "Mining" Department of Electrical Engineering, Electric Power, Electromechanics
2, 21 line, St. Petersburg, 199106, Russia Tel.: (812) 328-86-67, 8-921-375-46-19, e-mail: [email protected]
Referred: 03.12.12 Expertise: 07.12.12 Accepted: 09.12.12
This article describes the opportunity of the use of renewable energy sources in Russia. Calculated the theoretically possible solar energy gross technical potential, identified, revealed the prospects of solar photovoltaic modules in the mining industry supply systems. The definition problem of an appropriate wind power plant with given nominal parameters for the wind-power potential of mounting place is described in present paper. Main nominal parameters of a wind power plant which are influence on its efficiency are defined. The calculation algorithm of the annual generated power by the wind power plant is proposed.
Keywords: alternative energy, solar energy gross technical potential, wind turbine, wind power plant, efficiency, annual generation, initial (nominal) parameters.
В настоящее время геолого-разведочные работы (ГРР) на территории Российской Федерации проводятся в большом диапазоне - от 43° до 80° северной широты (с.ш.), и от 34° до 167° восточной долготы (в.д.). Централизованное электроснабжение охватывает не всю территорию страны, и существует боль-
шое количество труднодоступных мест и объектов, энергоснабжение которых осуществляется только за счет автономных источников энергии. В общей сложности более 70% территории РФ имеет децентрализованное энергоснабжение.
Сейчас децентрализованное электроснабжение потребителей в большинстве случаев осуществляется от дизельных электростанций (ДЭС) или других источников энергии, принцип действия которых основан на сжигании углеводородного топлива. Подобный тип электропитания обладает следующими недостатками: сложное техническое обслуживание, короткий ресурс непрерывной работы, высокий уровень шума в процессе работы генератора, кроме того, оказывается вредное воздействие на окружающую среду за счет выделения большого объема выхлопных газов в процессе работы. При этом стоимость одного кВт-ч электроэнергии в особо удаленных районах может достигать 100-150 руб./кВт-ч и в значительной мере определяется стоимостью топлива и его доставки, которая может превышать 200% от его оптовой стоимости.
Альтернативой ДЭС является применение возобновляемых источников электрической энергии (ВИЭ) солнца и ветра за счет включения в схему электроснабжения потребителей в качестве основного или дополнительного источника питания собственной солнечной электростанции (СЭ) и/или ветроэнергетической электростанции (ВЭС).
Принято считать, что применение фотоэлектрических преобразователей на территории России является малоэффективным. Для опровержения этого факта был проведен детальный анализ инсоляции, поступающей на поверхность России в заданных координатах - от Владивостока (43°07' с.ш., 131°54' в.д.) до острова Голомянного (79°32' с.ш., 98°38' в.д.) и от п. Корфа (60°22' с.ш., 166°01' в.д.) до Санкт-Петербурга (59°57' с.ш., 30°19' в.д.). В результате выяснилось, что в среднем на территории РФ ежедневное значение инсоляции, приходящейся на 1 м2 горизонтальной площади, составляет 2,89 кВт-ч, т.е. 1055 кВт-ч в год. Максимального значения на территории РФ инсоляция достигает на 43° с.ш. в городе Сочи и составляет 1375,08 кВт-ч в год (3,77 кВт-ч в день). В диапазоне с.ш. от 45° до 53° годовое значение солнечного излучения превышает 1000 кВт-ч и колеблется в пределах от 1118,6 кВт-ч в год (3,06 кВт-ч в день) до своего максимального значения. Следует отметить, что второго наибольшего значения инсоляция достигает в июле месяце в Амурской области в городе Благовещенске. При удалении от экватора на 79° с.ш. в условиях полярной ночи (длительностью 4 месяца) среднегодовое значение солнечного излучения составляет 757,4 кВт-ч, при этом значение солнечного потока в период полярного дня в среднем составляет 3,1 кВт-ч в день (данные взяты для острова Голомянный). Обобщенные результаты годовых и суточных значений солнечной инсоляции на территории России представлены на рис. 1 и 2 соответственно.
Анализ полученных значений солнечной инсоляции показал, что ее значения зависят не только от широты, но и от долготы, что хорошо демонстрирует следующий пример: в районе города Санкт-
Петербурга (30°19' в.д. 60° с.ш.) значение инсоляции равно 846 кВт-ч в год, в то время как в районе города Алдан (58°36' в.д. 125°23' в.д.) в Якутии значение солнечного излучения составляет уже 1061 кВт-ч в год.
Рис. 1. Зависимость годового значения суммарной солнечной инсоляции, приходящейся на 1 м2 горизонтальной поверхности, от координат географического положения на территории России
Fig. 2. Dependеnce of annual solar insolation (for 1 m of horizontal surface) from the coordinates of the location on the territory of Russia
Рис. 2. Зависимость уср2эдненной солнечной инсоляции,
приходящейся на 1 м2 горизонтальной поверхности в течение суток, от координат географического положения на территории России F ig. 2. Dependеnce of average solar insolation (for 1 m2 of horizontal surface per day) from the coordinates of the location on the territory of Russia
Для более детального анализа на рис. 3 и 4 представлены зависимости значения инсоляции от месяца для южных и северных территорий России соответственно.
В свою очередь, возможность использования ВЭС в качестве полной или частичной альтернативы ДЭС обуславливается наличием ветропотенциала у предполагаемого места расположения, удельным потреблением объекта тепловой и электрической энергии, возможностью резервирования вырабатываемой электроэнергии в аккумуляторах (АКБ).
В условиях отсутствия детальных сводок по метеостанциям или проведенного ветромониторинга в качестве данных по повторяемости ветров при различных среднегодовых скоростях ветра могут быть использованы зависимости, предложенные М.М. Поморцевым и Гулленом. Согласно рекомендациям
А.А. Бельский, Э.В. Яковлева ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОГО КОМПЛЕКСА
проф. Андрианова В.Н., следует, что зависимостями, полученными Гулленом, необходимо пользоваться при определении повторяемости скоростей ветра для районов со средними скоростями 6 м/с и выше, зависимости, полученные Поморцевым, дадут более точные значения повторяемости ветров для районов со средними скоростями ветра меньше 6 м/с [1].
кВт ч
225
150
75
/ г"1
/
ч
12
- Владивосток
- Пятигорск -Астрахань
- Волгоград Бабушкин
месяц года
Рис. 3. Ежемесячное зн ачение солнечного излучения, приходящегося на 1 м горизонтальной поверхности, на территориях, лежащих в диапа зоне 43-53° с.ш. ig. 3. Monthly solar insolation (for 1 m2 of horizontal surfao for the territories lying between 43-53° N
Рис. 4. Ежемесячное зн ачение солнечного излучения, приходящегося на 1 м горизонтальной поверхности, на территориях, лежащих в диапа зоне 60-79° с.ш. ig. 4. Monthly solar insolation (for 1 m of horizontal surfao for the territories lying between 60-79° N
Таблица 1 Регионы,
скорость ветра в которых превышает 5 м / с The regions with winds excess of 5 m/s
№ п/п Наименования региона Среднегодовая скорость ветра на территории региона, м/с
1 Адыгея республика 5,0-7,5
2 Алтайский край 4,0-9,0
3 Архангельская область 5,0-10,0
4 Астраханская область 5,0-7,5
5 Башкортостан республика 5,0-9,0
6 Бурятия республика 5,0-6,0
7 Волгоградская область 5,0-9,0
8 Дагестан республика 5,0-10,0
9 Еврейская автономная об- 5,0-6,0
10 Калмыкия республика 5,0-8,5
11 Камчатский край 5,0-12
12 Краснодарский край 5,0-7,5
13 Красноярский край - сев. р- 5,0-8,0
14 Курганская область 5,0-10,0
15 Магаданская область 4,0-6,0
16 Мурманская область 5,0-10,0
17 Ненецкий автономный ок- 6,0-10,0
18 Новосибирская область 5,0-9,0
19 Омская область 5,0-9,0
20 Оренбургская область 6,0-8,5
21 Приморский край 6,0-12,0
22 Ростовская область 5,0-8,0
23 Самарская область 6,0-8,5
24 Саратовская область 5,0-9,0
25 Сахалинская область 6,0-11,0
26 Ставропольский край 5,0-8,0
27 Татарстан республика 5,0-9,0
28 Тюменская область 4,0-8,0
29 Хабаровский край 6,0-12,0
30 Челябинская область 6,0-9,0
31 Чеченская республика 5,0-7,5
32 Ямало-Ненецкий автон. 7,0-10,0
33 Якутия - северные р-ны 5,0-8,0
На основании выполненного анализа карт ветров России с учетом перспектив использования энергии ветра для решения задач электроснабжения объектов минерально-сырьевого комплекса (МСК) в табл. 1 перечислены регионы, среднегодовая скорость ветра на территории которых выше 5 м/с на высоте 50 м от уровня земли.
При расчете годовой выработки электроэнергии ВЭУ данные о среднегодовой скорости ветра на заданной высоте должны быть скорректированы по формуле (1) с учетом высоты мачты ВЭУ и типа подстилающей поверхности:
ln(К/10 )
ln (hjlü )
(1)
v
2
где vi и v2 - скорости ветра, м/с на высотах hi и h2, м, соответственно; l0 - высота элементов шероховатости, м, интерполируется по табл. 2.
Таблица 2
Высота элементов шероховатости
Table 2
Height of roughness elements
№ п/п Тип поверхности Характеристика ¡0, м
1 Ровная Пляж, лед, снежные пейзажи 0,005
2 Открытая Низкая трава, аэропорты, убранные поля 0,03
3 Шероховатая Поля с высокими культурами, деревья, леса 0,25
4 Оч. шероховатая Леса, сады 0,5
5 Закрытая Деревни, окрестности городов 1,0
6 Города Города, открытые поверхности в лесах 2,0
P (V) =
«12 V + «W ПРИ V < V»
a22V + a21V + а20,
при Vpac4 < V < VM!
(2)
P (V) =
«12V + «10> ПРИ V < Vpa 100, ПРИ Vpac4 < V < VmS
(3)
- для ВЭУ с регулированием за счет срыва воздушного потока с поверхности лопасти использовалось выражение
P (V) =
a12V + а10
ПРИ V < Vpac4
1, при V = Vpac4
0,85 0,9, при F < V < VmS
(4)
Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) вышеперечисленных ВЭУ с различными системами регулирования (ограничения) мощности определяется по (5) и представлен на рис. 5:
КИУМ = (P*mi) /8760 ;
(5)
Для более детального исследования возможности использования ВЭС в качестве альтернативы ДЭС необходимо рассматривать рабочие характеристики ветроэлектрических установок, аппроксимация которых в данной статье производилась с учетом систем регулирования (ограничения) мощности ВЭУ:
- для ВЭУ с регулированием за счет вывода вет-роколеса из-под ветра использовалось выражение
где а12, а10 и а22, а21, а20 - коэффициенты первого и второго полинома соответственно; Р - мощность в о.е., развиваемая генератором ВЭУ в зависимости от текущей скорости ветра, при этом за базис принята номинальная мощность Р ном ВЭУ; V - текущая скорость ветра, м/с; ^асч - расчетная скорость ветра, при которой ВЭУ развивает свою номинальную (паспортную) мощность, м/с;
- для ВЭУ с регулированием за счет поворота лопасти вдоль оси маха использовалось выражение
где у - значение среднегодовой скорости ветра на
п*
высоте расположения оси ветроколеса; р - мощность, развиваемая генератором ВЭУ в о.е., в зависимости от /-й скорости ветра; т/ - количество часов в году, в течение которых ветер дует с /-й скоростью ветра в любых направлениях в зависимости от у-й среднегодовой скорости ветра.
Вышеуказанные данные и рассчитанные зависимости характеризуют Россию как потенциально перспективную страну в области использования солнечной и ветровой энергии. КПД современных фотоэлектрических преобразователей, существующих в открытой продаже, равен в среднем 17%. С одного квадратного метра фотоэлектрической панели в среднем можно получить 0,5 кВт-ч в течение суток, при этом КИУМ ВЭУ в среднем превышает 30% при среднегодовой скорости ветра 6 м/с, что позволяет говорить о возможности создания автономных электротехнических комплексов на базе ФЭС и ФЭУ, способных обеспечить различные объекты минерально-сырьевого комплекса необходимым количеством электро- и теплоэнергии, что особенно актуально в условиях проведения геолого-разведочных работ, спецификой которых является значительная удаленность от центральной энергосистемы, сложность подвоза топлива и высокое теплопотребление, превышающее нужды электроснабжения в 2-3 раза.
Энергоснабжение большинства потребителей геолого-разведочных работ может осуществляться от ВЭУ (работающей в параллели или с «отключением» ДЭС), при этом от фотоэлектрических электростанций (ФЭС) с учетом стоимости капитальных затрат, приходящихся на 1 кВт установленной мощности ФЭС (1818 $ за кВт) можно эффективно и экономично осуществлять электроснабжение наиболее ответственных систем безопасности, телемеханики и других маломощных потребителей, особенно тех, которые удалены от места расположения генерирующих установок (ВЭС и ДЭС). Режим работы ФЭС и ВЭС, параметры их совмещения с сетью зависят от территориального расположения объекта и в данной статье не рассматривались.
2013 2013
КИУМ ВЭУсвыбодом ветроколеса нз-под ветр!
0,7 ----■-
0£ -I-1--1--1--1--1--1-
7 9 11 13 15 17 19
Номинальная ск^рсстъ ЬгтраЕЭУ м'с
Годовое прира шение КЮТИ ВЭУ за счет использования в качестве системырегулнровалия мощности - поворот лопасти вдоль оси май
Номинальная скорость ьатраВЭУ и-'с
Годовое прирашение КИУМ ВЭУза счет использования в качестве системы регулирования мощности - срыв воздуха с поверхности лопасти
0,025 -,----1-1-
Нел [[шаль к ал сгоросгь ветра БЭУ м'е
Рис. 5. Зависимость КИУМ ВЭУ от расчетной скорости ветра и выбранной системы регулирования (ограничения) мощности для различных среднегодовых скоростей ветра Fig. 5. Dependence of OREC PWT from settlement speed of a wind and the chosen system of regulation (restriction)
of capacity for various mid-annual speeds of a wind
Список литературы
1. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П. и др. Ветроэлектрические станции. М.: Государственное энергетическое издательство, 1960. С. 16-17.
— TATA — LXJ
