CC BY
108
УДК 551.55, 620.91
Носкова Елена Викторовна Elena Noskova
ОЦЕНКА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ТЕРРИТОРИИ ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ
ASSESSMENT OF WIND ENERGY POTENTIAL AT THE TRANBAIKAL TERRITORY
(<* )
4M
Важнейшей составляющей развития любой отрасли энергетики является определение ее ресурсного потенциала, выявление наиболее эффективных «месторождений», определение возможных объемов использования данного источника энергии. Поэтому в данной работе оцениваются возможности включения в общий энергетический баланс Забайкальского края ветроэнергетических ресурсов, так как они имеют значительную вероятностную составляющую прихода энергии.
Для анализа в работе использованы данные Забайкальского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за период с 1990 по 2013 гг. о средних месячных скоростях ветра, повторяемости различных градаций скорости ветра на 26 метеостанциях, расположенных в Забайкальском крае. Для анализа также использованы данные об оценке защищенности местоположения станции по румбам по классификации В.Ю. Милевского из справочника по климату СССР и научно-прикладного справочника по климату СССР. Построение карты пространственного распределения по территории Забайкальского края плотности технического ветроэнергетического потенциала производилось в программе AгcGIS.
Сделаны выводы о том, что Забайкальский край относится к малоперспективным районам для непрерывного использования ветровой энергии в течение всего года. Для более эффективного использования ветровой энергии необходимо ветровые приемники ВЭУ располагать на 30.. .100 м и более. Ветроуста-новки малых мощностей могут быть применены для обеспечения электроэнергией фермерских хозяйств. Эксплуатация же ветроустановок больших мощностей может быть экономически неэффективной из-за малых часов использования и большой стоимости.
The most important component of any energy sector is to determine its resource potential, identify the most effective «fields», define a possible volume of energy source use. Therefore, in this study, the possibility of inclusion in the overall the energy balance of wind energy resources at the Transbaikal Territory is used, as these resources are a significant component of the probability of energy outcome.
For the analysis the data of the Transbaikal Department for Hydrometeorology and Environmental Monitoring for the period from 1990 to 2013 is used in this work. It concerns the average monthly wind speeds, the frequency of different gradations of wind speed at 26 meteorological stations located in the Transbaikal region. For the analysis the data on the assessment of the security station locations according with rumba classification by V.Yu. Milevsky, taken from the Climate Handbook, Scientific and Applied Climate Handbook were also used. Mapping of spatial distribution on the territory of Transbaikal Territory of density technical wind energy potential was made in the program ArcGIS.
The conclusions that the Transbaikal Territory refers to maloper-promis- areas for continuous use of wind energy throughout the year are made. For more efficient use of wind energy wind turbine receivers must placed on 30-100 meters or more. Low power wind turbines can be used to provide electricity to farms. Operation of the same high-power wind turbines can be economically inefficient due to the small hours of use and great value.
The assessment results of wind energy potential can be used in future planning of economic development of the Transbaikal Territory
Результаты оценки ветроэнергетического потенциала могут использоваться в перспективном планировании экономического развития территории Забайкальского края
Ключевые слова: Забайкальский край, ветро- Key words: Transbaikal Territory, wind turbine, po-установка, потенциальные ресурсы, номиналь- tential resources, power rating, technical wind poten-ная мощность, технический ветропотенциал tial
Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Забайкальского края, грант 14-05-98005-р_сибирь_а
Ветроэнергетические климатические ресурсы — ресурсы энергии ветра, которые могут быть использованы для получения электрической энергии.
Оценка ветроэнергетических ресурсов страны или некоторого района представляет важную задачу, решение которой позволит принять участие в перспективном планировании экономического развития данной территории. Поэтому в данной работе оцениваются возможности включения этих ресурсов в общий энергетический баланс Забайкальского края.
В работе использованы данные Забайкальского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за период с 1990 по 2013 гг. о средних месячных скоростях ветра, о повторяемости различных градаций скорости ветра на 26 метеостанциях, расположенных в Забайкальском крае. Для анализа также использованы данные об оценке защищенности местоположения станции по румбам по классификации В.Ю. Милевского из справочника по климату СССР [4] и научно-прикладного справочника по климату СССР [10]. Построение карты пространственного распределения по территории Забайкальского края плотности технического ветроэнергетического потенциала производилось в программе АгсОШ.
Опорные метеостанции, данные которых используются для оценки фона режимных особенностей ветра, должны удовлетворять следующему требованию:
класс открытости станции (по В.Ю. Ми-левскому) должен быть не менее 6б [3]. Он характеризует степень открытости измерительного прибора ветровому потоку по каждому румбу направлений.
Общий класс открытости станции К определяется по данным из [4, 10] по формуле [2]
К общ. - YiKma&i.'
(1)
где К . — табличный класс открытости по
таол. 1
каждому румбу направлений ветра;
Дф— табличное значение повторяемости ветра за год данного румба, %.
Поскольку ветроэнергетические ресурсы определяются для условий открытой местности, на которой может предполагаться строительство ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэнергетических станций (ВЭС), то среднюю многолетнюю скорость ветра и приводят к сравнимым условиям (условиям открытой ровной местности и высоте 10 м от поверхности земли) с помощью поправочных коэффициентов на открытость Ко и высоту Ки:
и = и-К0шКн>
(2)
где и — средняя многолетняя скорость ветра, приведенная к сравнимым условиям. Выражение для К имеет вид [2]
8 ТГ
ТП _у Лмакс. .Дф
Л Tf
1 Л табл.
(3)
где Кмшкс — максимальный коэффициент открытости, который для удаленных от бе-
реговои линии районов принимается равным 7.
Выражение для КН, учитывающего изменение среднегодовой скорости ветра при переходе от высоты ветроизмерительного прибора Н к заданному уровню Н, может быть представлено в виде [1]
тт 0,6гГ°77
К„ = (-) . (4)
п
В целом по территории ЗабаИкаль-ского края скорости ветра невелики [6]. Ее наименьшие значения наблюдаются в северных раИонах края. Низкие значения среднегодовои скорости ветра отмечаются также в западных раИонах. Увеличивается она ближе к центральной части региона. Наибольшая скорость ветра наблюдается в южных и юго-восточных раИонах.
Энергетические ресурсы подразделяются на два вида: потенциальные и технические. Под потенциальными ресурсами (природными) подразумевается мощность Ы, рассчитанная при условии, что вся ветровая энергия полностью утилизируется ветроустановкоИ (ВЭУ), без потерь. Ые для конкретных градациИ скорости ветра рассчитывается по формуле [9]
N.
е(град)"
о,61З и т 100
(5)
где f(u) — дифференциальная повторяемость скорости ветра по градациям.
По территории региона на высоте установки анеморумбометра (10 м) значения Ыфрав) находятся в диапазоне 6-95 Вт/м2. Это связано с тем, что в крае преобладает повторяемость слабых ветров [5]. Среднее значение по краю — 35 Вт/м2. Как выявлено ранее [7], пространственное распределение природных ветроэнергоресурсов сходно с распределением среднеИ скорости ветра на территории региона.
С увеличением высоты значение N,
^ в(грао)
возрастает, так как скорость ветра с высо-тоИ увеличивается по степенному закону [1]. Так, на высоте 50 м осредненная величина потенциальных ветровых ресурсов составляет уже около 300 Вт/м2, а на 100 м — более 1000 Вт/м2.
Так как величина N , а. не учитывает
в(грао) ^
потери преобразования, то является верхним пределом запасов ветровых ресурсов. Поэтому для оценки реального ветропотен-циала необходима оценка технических ветроэнергетических ресурсов.
Та часть потенциальных ветроресур-сов, которая может быть использована для целеИ получения ветровоИ электроэнергии с помощью имеющихся в настоящее время технических средств, является техническими ветроэнергоресурсами.
В табл. 1 представлен ряд ветроэнергетических установок (ВЭУ) разноИ мощности (13...600 кВт) и их основные технические характеристики. Информация о ВЭУ взята с саИтов продавцов этих установок [8, 11, 12].
Таблица 1
Технические характеристики ВЭУ различных типов
Характеристика Марка агрегата
Еиго \Wind 10 Еиго \Wind 20 VETROX Агйю GE-50 НШ-43
Установленная мощность N , кВт ном 13 26,5 50 600
Диаметр ветроколеса D, м 8 10 18 43,2
Минимальная рабочая скорость ветра имин, м/с 2 2 2,5 3
Номинальная скорость ветра и , м/с 1 1 ном' ' 10 12 9 14
Максимальная скорость ветра и , м/с 1 1 макс' ' 16 20 25 25
Число лопастей ветроколеса 3 3 3 3
Высота башни ВЭУ, м 12 18 18 48,5
Технический ветроэнергетический потенциал определяется удельным значением годовой энергии Эвэу, которую можно получить при помощи определенной ВЭУ с 1 км2 рассматриваемой территории [2]:
Э = N Т
ВЭУ ВЭУ исп.'
(6)
где Мвэу — установленная (номинальная) мощность ВЭУ, кВт;
Т — годовое число использования
исп. ^
установленной мощности ВЭУ, равное Т = Т д К , (7)
исп. год исп. у '
где Т оод = 8760 — число часов в году;
Кисп — коэффициент использования установленной мощности ВЭУ. Согласно [2]
Km= Z Щ«У4Г,
и0
(8)
где N )( ) — характеристика отдачи мощности.
Для запуска ВЭУ требуется определенное минимальное значение вращающего момента лопастей, которое соответствует некоторому минимальному значению скорости ветра на уровне лопастей имин . При номинальной скорости ветра ином ветроге-нератор вырабатывает номинальное (расчетное) количество энергии, которое равняется нулю при максимальной скорости ветра и (рис. 1).
* макс. ^^
Зависимость N (и) является специфической для каждой ветроэлектрической установки и должна входить в ее паспортные данные. В данной работе для ее определения использовались графики зависимости генерируемой мощности от скорости ветра на высоте оси ротора, указанные на сайтах продавцов ВЭУ [8, 11, 12].
Скоро сть ветра,
Рис. 1. Зависимость выходной мощности генератора ВЭУ от скорости ветра 1 - ВЭУ VETROX Arctic GE-50, 2 - ВЭУ Euro Wind 20
В табл. 2 приведена годовая выработка электроэнергии в зависимости от мощности ВЭУ в Забайкальском крае.
Из таблицы видно, что Кисп не превышает 25 %. Это указывает на то, что регион относится к малоперспективным районам для непрерывного использования ветровой энергии в течение всего года [9].
Для более эффективного использования ветровой энергии ветровые прием-
ники ВЭУ необходимо устанавливать на высотах более 50 м. Размещение ВЭУ на больших высотах может обеспечить их эффективную работу и дополнительные поступления электроэнергии. ВЭУ малых мощностей могут быть применены, например, для обеспечения электроэнергией фермерских хозяйств. Эксплуатация ВЭУ больших мощностей из-за малых часов использования и большой стоимости может
быть экономически неэффективной. Хотя ветровой энергии в регионе требует де-определение экономического потенциала тальной оценки.
Таблица 2
Годовая выработка электроэнергии ВЭУ
№ п/п Метеостанция Эвэу, кВт ■ ч
Еиго Wind 10 Еиго Wind 20 VETROX Атйгс GE-50 HW-43
1 Агинское 9165 15268 74182 837369
2 Акша 12770 22542 94836 1038738
3 Александровский Завод 5035 8777 47581 607234
4 Борзя 8216 13823 68397 761522
5 Зилово 4257 9710 48594 799066
6 Кайластуй 9479 15499 73210 787979
7 Калакан 1126 3697 17060 547620
8 Катугино 1387 4914 21232 779358
9 Красный Чикой 1875 4397 22461 437021
10 Кыра 1868 4797 21527 471699
11 Мангут 8123 13338 63471 716814
12 Менза 2360 6466 28351 562880
13 Могоча 3266 6977 33836 535088
14 Нерчинск 6321 11284 52320 699854
15 Нерчинский Завод 8470 14000 63172 1063317
16 Петровский Завод 4807 9815 48541 727529
17 Соловьевск 9963 16281 75219 842173
18 Средняя Олекма 1900 6249 28098 723332
19 Сретенск 4285 7240 39659 534196
20 Тунгокочен 7013 15729 63430 931392
21 Тупик 3000 5064 28618 470983
22 Улеты 10497 18199 91842 1005885
23 Усть-Карск 1675 3166 19238 424173
24 Чара 2235 4366 26106 458472
25 Черемхово 5574 10345 56963 784242
26 Чита 4003 6509 37927 524767
Среднее Эвэу, кВт ■ ч 5333 9940 47918 695104
Среднее: Кисп , % 5 4 11 13
Среднее Т , ч 1 исп. ' 410 375 958 1159
Важное значение имеет плотность энергии, которую можно получить с 1 км2 технического ветропотенциала Этехн . рассматриваемой территории, определяет-Плотность, или удельное значение годовой ся по формуле [2]
r-v _ Nssy' Т щ J-mje. 100£)2
(9)
Э „ увеличивается с повышением
техн.уо. ^
мощности ВЭУ. Так, при использовании ВЭУ Euro Wind 10 и Euro Wind 20 эта величина в среднем по краю составляет менее 1,00 ™ ^ ■ -2) . При эксплуатации ВЭУ
км
VETROX Arctic GE-50 и HW-43 плотность
составляет 1,48 и 3,72 млн ■ ч) соответ-
' ' 2 КМ
ственно.
На рис. 2 приведено распределение плотности технического ветроэнергетического потенциала на высоте 48,5 м (ветро-генератор HW43), характерное для разных высот и различных типов ВЭУ.
Низкие значения Э а отмечают-
техн.уд.
ся на севере, северо-востоке и западе рассматриваемой территории, где отмечаются наименьшие скорости ветра. В районе метеостанций Нерчинский Завод (восточная часть региона), Улеты, Акша (центральный и южный районы) величина плотности ве-тротехнического потенциала наибольшая.
Таким образом, проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
1) Забайкальский край относится к малоперспективным районам для непрерывного использования ветровой энергии в течение всего года;
2) величина верхнего предела запасов ветровых ресурсов М ^ возрастает с увеличением высоты, на высоте 100 м осред-ненная величина потенциальных ветровых ресурсов составляет более 1000 Вт/м2 ;
3) пространственное распределение плотности технического ветропотенциала Э а выглядит следующим образом: наи-
техн.цо. ^ ^^ 1 1
меньшие значения Э а отмечаются на
техн.уо.
севере, северо-востоке и западе края, наибольшие — на востоке, юге и в центре;
4) для более эффективного использования ветровой энергии необходимо ветровые приемники ВЭУ располагать на высотах более 50 м;
5) ВЭУ малых мощностей могут быть применены для обеспечения электроэнергией фермерских хозяйств; эксплуатация ВЭУ больших мощностей из-за малых часов использования и большой стоимости может быть экономически неэффективной.
Литература-
1. Безруких П.П. Научно-техническое и методологическое обоснование ресурсов и направлений использования возобновляемых источников энергии: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 2003.
2. Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Ч. 1. Определение ветроэнергетических ресурсов региона. СПб.: СПбГПУ, 2003.
3. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок. РД 52.04.275-89. М.: Госкомгидромет, 1991. 57 с.
4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Ч. 1-6. Вып. 23. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 550 с.
5. Носкова Е.В. Изменение скорости ветра по различным градациям в Забайкальском крае // Материалы Всеросс. молодежной науч.-практ. конф. с междунар. участием «Современные достижения и проблемы в области изучения окружающей среды». Барнаул, 2014. С. 60-64.
6. Носкова Е.В., Обязов В.А. Ветровой режим Забайкальского края / / Ученые записки Забайкальского государственного университета. 2015. № 1 (60). С. 115-121.
7. Носкова Е.В. Оценка удельной мощности ветрового потока на территории Забайкальского края // Труды Второй всеросс. науч. конф. с меж-
_References
1. Bezrukikh P.P. Scientific, technical and methodological substantiation of resources and uses of renewable energy sources [Nauchno-tehnicheskoe i metodologicheskoe obosnovanie resursov i napravleniy ispolzovaniya vozobnovlyaemyh isochnikov energii]: abstract dis. ... dr. tehn. sciences. Moscow, 2003.
2. Yelistratov V.V., Kuznetsov M.V. Teo-reticheskie osnovy netraditsionnoy i vozobnovlyae-moy energetiki [Theoretical foundations of alternative and renewable energy]: Part 1. Assessment of wind energy resources in the region. St.-Petersburg: STU, 2003.
3. Provedenie izyskatelskih rabot po otsenke vetroenergeticheskih resursov oosnovaniya shem razmeshheniya i proektirovaniya vetroenergeticheskih ustanovok. RD 52.04.275-89 (Carrying out survey work on the assessment of wind energy resources study layouts and proj ecting of wind turbines. RD 52.04.27589). Moscow: Goskomgid-Romet, 1991. 57 p.
4. Nauchno-prikladnoy spravochnik po klimatu SSSR (Research and Applied Climate Handbook). Ser. 3. Ch 1-6. Vol. 23. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1989.550 p.
5. Noskova E.V. Materialy Vserossiyskoy molo-dezhnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezh-dunarodnym uchastiem «Sovremennye dostizheniya i problemy v oblasti izucheniya okruzhayushhey sredy» (Proceedings of the All-Russian youth scientific and practical. conf. with int. participation «Modern achievements and challenges in the field of the environment»). Barnaul, 2014. P. 60-64.
6. Noskova E.V. Obyazov V.A. Uchenye zapiski Zabaikalskogo gosudarstvennogo universiteta (Scientific notes of the Transbaikal State University), 2015, № 1 (60), pp. 115-121.
7. Noskova E.V. Trudy Vtoroy vserossiyskoy nauchnoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem «Okruzhayushhaya sreda i ustoychivoe razvitie
дунар. участием «Окружающая среда и устойчивое развитие регионов». Т. 2. Казань: Изд-во «Отечество», 2013. С. 110-113.
8. ООО «Украинская альтернативная энергетика». Режим доступа: http://veu.ae.net.ua/ (дата обращения 30.03.2015).
9. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 80 с.
10. Справочник по климату СССР. Ч. III. Вып. 23. Ветер. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 188 с.
11. Унитарное предприятие «АЭС-комплект». Режим доступа: http://www.aes.by/ (дата обращения 30.03.2015).
12. ЭнергоСток. Режим доступа: http:// energystock.ru/ (дата обращения 30.03.2015).
Коротко об авторе _
Носкова Е.В., ассистент, каф. «Водное хозяйство и инженерная экология», Забайкальский государственный университет, мл. науч. сотрудник лаборатории региональной климатологии, ИПРЭК СО РАН, г. Чита, Россия elena-noskova-2011@mail.ru
Научные интересы: изменение климата, ветровой режим, ветроэнергетика
regionov» (Proceedings of the Second All Russian scientific conf. with int. participation «Environment and sustainable development of the regions»). Vol. 2. Kazan: Publishing house «Otechestvo», 2013. P. 110-113.
8. OOO «Ukrainskaya alternativnaya energe-tika» («Ukrainian alternative energy») Available at: http://veu.ae.net.ua/ (accessed 30.03.2015).
9. Rekomendatsii po opredeleniyu klimatich-eskih harakteristik vetroenergeticheskih resursov [Guidelines for the climatic characteristics definition of wind energy resources]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1989.80 p.
10. Spravochnik po klimatu SSSR (USSR Climate Reference Book). Part III. Vol. 23. Wind. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1968. 188 p.
11. Unitarnoe predpriyatie «AES-komplekt» (Unitary Enterprise «NPP-set») Available at: http:// www.aes.by/ (accessed 03.30.2015).
12. EnergoStok (EnergoStok) Available at: http://energystock.ru/ (accessed 30.03.2015).
_ Briefly about the author
E. Noskova, assistant, Water Management and Engineering Ecology department, Transbaikal State University, Junior Researcher, Laboratory of Regional Climatology, INREC SB RAS, Chita, Russia
Scientific interests: climate change, wind conditions, wind
