CC BY
18УДК 621.311.2:620.921 (569)
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПАЛЕСТИНЫ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Бекиров Э.А., Воскресенская С.Н., Ахмед Алькаата
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181, E-mail: [email protected]
Аннотация. В работе проведен анализ климатических характеристик Сектора Газа для определения возможности размещения установок, использующих возобновляемые источники энергии. Осуществлен расчет скоростей ветра при размещении ветрогенераторов на различной высоте. Приведена оценка мощности одиночно стоящей установки при скоростях ветра от 3 до 19 м/с. Для Сектора Газа определены мощности и вырабатываемое количество электрической энергии для различных типов ветроэлектроустановок. Также приведены удельные показатели для оценки экономической возможности сооружения ветроэлектростанций.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечная электростанция, ветровая электростанция, скорость ветра, мощность.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы ввиду быстрого роста населения Земли требуется увеличение электрической и тепловой энергии для обеспечения нужд населения, строительства и повышения мощностей промышленных предприятий и сельскохозяйственных организаций. В связи с этим наблюдается рост использования традиционных ресурсов для выработки электрической и тепловой энергии - углеводородов. Это в свою очередь приводит к ухудшению экологической обстановки в регионе, особенно если имеются большие скопления энергогенерирующих предприятий. Также возрастают риски, связанные с обеспечением безопасного хранения, транспортировки и сжигания угля, нефти, газа и других углеводородосодержащих материалов и сырья. Другой составляющей вопроса энергообеспечения различных регионов является неравномерное распределение ресурсов. На планете есть страны, на территории которых наблюдается ограниченное количество полезных ископаемых и углеводородов. Транспортировка из других стран сопряжена с рядом проблем, таких как необходимость строительства нефтепроводоов и газопроводов. Одной из таких стран с ограниченными ресурсами является Палестина.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Исходя из вышеизложенного, развитие альтернативной возобновляемой энергетики на территории данной страны чрезвычайно важно. В качестве примера будем рассматривать один из регионов Палестины - Сектор Газа, зависимый от импорта энергоносителей. Еще одной причиной для внедрения возобновляемой энергетики является рост экологических проблем при использовании в качестве сырья для электростанций углеводородов, что приводит к выбросам СО и СО2, а следовательно, к изменению климата. Данный
фактор особенно важен для курортных регионов, расположенных на побережье Средиземного моря.
После обострения энергетического кризиса в Секторе Газа использование возобновляемых источников энергии, и особенно, энергии ветра и солнца является предпочтительным для выработки электрической и тепловой энергии, так как перебои в подаче электроэнергии составляли до 18 часов и приводили к нарушению рабочих технологических процессов промышленных предприятий и производств. Также перебои в электроснабжении, возникающие в результате повреждения электростанций и распределительных устройств, приводили население к использованию генераторов и свечей в качестве источника света. От ожогов, пожаров и взрывов генераторов за небольшой период 2016 года, согласно медицинским источникам, погибло более 24 человек.
В настоящее время с целью получения тепловой энергии для горячего водоснабжения используются гелиоколлектора, а с целью получения электрической энергии для потребителей малой мощности - солнечные батареи [1, 2]. Они устанавливаются на крышах домов, больниц, университетов. Однако перечисленные факторы не решают основную задачу по обеспечению электрической энергией потребителей с большой мощностью для централизованного
электроснабжения. Применение других видов электростанций, таких как гидро- [3] и геотермальные [4], ограничено в связи с тем, что не все территории обладают соответствующими ресурсами и потенциалом.
Таким образом, одним из путей повышения энергонезависимости может быть использование ветроэлектростанций. Развитие данной отрасли зависит от большого количества факторов. Состояние и перспективы развития для различных стран мира показано в работах [5 - 13]. Основы расчетов приведены в работе [14].
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ
С целью объективной оценки возможностей использования возобновляемых источников энергии необходимо проанализировать потенциал солнечной и ветровой энергии Сектора Газа. Это позволит определить территории, которые можно более эффективно использовать для строительства солнечных и ветровых электростанций.
Актуальность задачи обусловлена возможностью уменьшения сжигания органических видов топлива и обеспечением экологической безопасности при использовании энергоустановок возобновляемой энергетики для электроснабжения и теплоснабжения промышленных предприятий и жилых домов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Климатические характеристики. Рассмотрим теоретическую возможность использования возобновляемых источников энергии для строительства солнечных и ветровых электростанций на территории Палестины. Для этого приведем климатические характеристики. На рисунке 1 показана диаграмма оценки количества солнечных дней, согласно которой ясная погода наблюдается в течение 318 дней в году.
■ Солнеччл? дни □блыные дни Ш Пасмурные дни
Рис. 1. Солнечные, облачные и пасмурные дни
В таблице 1 приведены значения среднемесячной температуры воздуха в градусах Цельсия, а на рисунке 2 показан график изменения дневной и ночной температуры в 2016 году.
Таблица 1.
Средняя температура воздуха
Самая высокая дневная температура в августе 2016 года составила 33,7 °С в то время, как минимальная температура ночью опускалась до 26,3 °С. Средний показатель дневной температуры в
течение июня составляет 32,9 °С и превышает показатель ночной температуры на 6,6 °С.
Исходя из вышеизложенных данных и рисунков, температура не изменялась в широком диапазоне и не опускалась ниже 0 °С. Это снижает риск замерзания воды на поверхности солнечных батарей, уменьшает деградационные факторы в связи с резкими перепадами температур и увеличивает надежность работы солнечных батарей.
дне фев мар апр май июн ню л ааг сен акт ноя дек
Рис. 2. Изменение температуры воздуха, °С
В таблице 2 приведено среднесуточное количество солнечных часов, позволяющее определить временной диапазон для использования гелиопанелей.
Таблица 2.
Среднесуточное количество солнечных часов
Месяцы Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
ч.
в, о с а
ч о « т с е ли о оо" Т'6 10,2 11,7 12,8 13,9 13,8 13,1 12,0 10,8 со сТ с-, оо4
Диаграмма усредненного количества солнечных часов за день, в течение которых прямые солнечные лучи достигают поверхности земли в Палестине, представлен на рисунке 3. На этот показатель влияют как продолжительность светового дня, так и облачность в дневное время.
В Секторе Газа наибольшее количество солнечных часов наблюдается в июне, то есть, среднесуточное значение составляет 13,9 часов, что на 5,8 часов больше, чем в январе. Таким образом, Палестина обладает значительным потенциалом для развития солнечной энергетики, но в наиболее холодный зимний месяц эффективность работы
Месяцы Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
Эо Г-- Г-- ,3 00 ич о Г-- 1 00
ич Г-- ,2 о о ич ич ,9 00
Т 1 1 2 2 3 3 3 3 3 2 2 1
уменьшается почти на 40% от максимально возможной.
Рассмотрим ветровой потенциал Сектора Газа Палестины. В таблице 3 показаны среднемесячные скорости ветра для страны в целом, а на рисунке 4 в виде графика приведены данные для региона.
16.7
14.3
11.9
янв фев шр апр май июя июл авг сен ок7 ноя дек
Рис. 3. Усредненное количество солнечных часов Таблица 3.
Среднемесячные скорости ветра для Палестины
л а
ю «
о
К
Усредненное значение скорости ветра в июне в Секторе Газа составляет около 4,5 м/с на высоте до 10 метров.
лив фев г.-гр апр мам мюн июл авг сек окт ноя дек
Рис. 4. Скорость ветра в Секторе Газа
Определим скорость ветра на различных высотах по формуле [14]:
1 к
10
ш
(1)
по данным
где 1/10 - скорость ветра метеоизмерений на высоте 10 м;
к - высота башни ветроэнергоустановки (ВЭУ) до оси ротора ветротурбины;
к - коэффициент пересчета (критерий Хеллмана [1]), принимаемый равным 0,15^0,17, для некоторых регионов этот коэффициент, полученный в результате экспериментальных исследований, может быть равным 0,2 [2] и более.
Проведем расчет по формуле (1) для случаев, когда критерий Хеллмана равен 0,17 и 0,2. При этом возьмем скорости ветра на высоте до 10 метров 4,5 м/с и 5 м/с.
На рисунках 5 и 6 показано изменение скорости ветра при увеличении высоты расположения ветроэлектрогенератора: верхняя кривая - при скорости ветра "У10 = 5м/с, нижняя - при скорости ветра "У10 = 4,5 м/с.
10 10 90 40 54 « ГО ео 90 100 110 ИР НО 110 НО 170 190 19» 20Ф
♦ РИД 1
Рис. 5. Зависимость скорости ветра от высоты при к = 0,17: 1 - при "У10 = 4,5 м/с; 2 - при "У10 = 5 м/с
Мощность одной одиночно стоящей ветроэлектрической установки (ВЭУ) определяется соотношением:
ВЭУ;
= Р,- • (Уш),
(2)
где Р, - мощность генератора;
Уп1 - скорость ветра на заданной высоте.
10 9 5 7
ь *
4
г 1
о
ю го зо ди со ?о ко чо гению иоиоио гыг ■ ]вси'л)аои
» шщ -
Рис. 6. Зависимость скорости ветра от высоты при к = 0,2: 1 - при V10 = 4,5 м/с; 2 - при V10 = 5 м/с
Расчет мощностной характеристики ВЭУ на начальном участке характеристики в зависимости от скорости ветра производится по формуле:
^вэу№) =Р • ср • Б0 • • Ц- • 10"3,кВт, (3)
где р - плотность воздуха, принимается равной 1,226 кг/м3;
СР - средний коэффициент использования энергии ветра, принимается 0,31; 50 - площадь колеса ВЭУ, м2; ^ - суммарный КПД ВЭУ, равный 0,8;
- скорость ветра, м/с. Для скоростей ветра от е Vнач = 3 м/с до "Уном принимаем величину шага Д"У=1м/с и строим график зависимости выходной мощности ВЭУ от скорости ветра (рисунок 7).
Р = ЗМВТ
3000000
21.00000
П
2000000
1500000
1000000
500000
О 5 10 15
-скорость В«||МГ т/С
Рис. 7. Зависимость мощности различных ВЭУ от скорости ветра
¿0
В результате анализа расчетных значений и приведенных графиков (рисунок 7) можно сделать
вывод о возможности использования различных модификаций ВЭУ и величине мощности, которую они могут развивать. Для ВЭУ типа вЛМБ8Л в52-850 кW при высоте башни 65 м и скорости ветра (среднестатистической) 7,2 м/с мощность,
развиваемая установкой, составляет 32,3 кВт, что соответствует 38% от установленной мощности.
На рисунках 8 - 15 приведены графики зависимости мощности Р = /(V) и годовой выработки электроэнергии Ш =[(У) от скорости ветра, а также технические параметры различных ВЭУ.
700,0
600,0
500,0
ш 400,0
Тип ВЭУ Bonus-600kW Мк4
1) Номинальная мощность 600 кВт
2) Высота оси вращения ротора 60,00 м
3) Диаметр ротора 44,00 м
4) Высота для расчета среднегодовой скорости ветра 60,00 м
5) Высота измерения скорости ветра 10,0 м
6) Среднегодовая скорость ветра на высоте измерения 6,44 м/с
7) Коэффициент формулы Хеллмана 0,2
8) Среднегодовая скорость ветра 7,15 м/с
а)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1В 19 20 21 22 23 24 25 26
Скорость ветра [м/с]
¡Распределение ветра
■ Кривая мощности
б)
Рис. 8. Параметры ВЭУ Вопи8-600к^ Мк4: а) технические характеристики; б) график зависимости мощности и
функции распределения от скорости ветра
100 000
о
7 80 000 ь
■2 еоооо
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Скорость ветра [м/с]
19 20 21 22 23 24 25
□ Годовое распределение эл энергии
-Распределение ветра
Рис. 9. Зависимость вырабатываемой электроэнергии и функции распределения от скорости ветра для ВопиБ-
600kW Мк4
Тип ВЭУ Епегзоп Е-53
1) Номинальная мощность 800 кВт
2) Высота оси вращения ротора 60,00 м
3) Диаметр ротора 53,00 м
4) Высота для расчета среднегодовой скорости ветра 60,00 м
5) Высота измерения скорости ветра 10,0 м
6) Среднегодовая скорость ветра на высоте измерения 6,82 м/с
7) Коэффициент формулы Хеллмана 0,17
8) Среднегодовая скорость ветра 7,57 м/с
а)
Рис. 10. Параметры ВЭУ Епегеоп Е-53: а) технические характеристики; б) график зависимости мощности и
функции распределения от скорости ветра
250 000
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Скорость ветра [м/с]
]Годовое распределение эл.энергии
■Распределение ветра
Рис. 11. Зависимость вырабатываемой электроэнергии и функции распределения от скорости ветра для Епегеоп
Е-53
2 500
2 ООО
Ш 1 500 О.
1 ООО
Тип ВЭУ Unison U88
1) Номинальная мощность 2000 кВт
2) Высота оси вращения ротора 80,00 м
3) Диаметр ротора 88,00 м
4) Высота для расчета среднегодовой скорости ветра 80,00 м
5) Высота измерения скорости ветра 80,0 м
6) Среднегодовая скорость ветра на высоте измерения 6,82 м/с
7) Коэффициент формулы Хеллмана 0,20
8) Среднегодовая скорость ветра 7,57 м/с
а)
Скорость ветра [м/с]
■Кривая мощчостп
■Распределение ветра
б)
Рис. 12. Параметры ВЭУ Unison U88: а) технические характеристики; б) график зависимости мощности и
функции распределения от скорости ветра
£ 400 ООО
и
7 зооооо 200000
0 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5 15 16.5 13 19,5 21 22,5 24
Скорость ветра [м/с]
¡Годовоераспределение м .энергии
■ Распределение ветра
Рис. 13. Зависимость вырабатываемой электроэнергии и функции распределения от скорости ветра для Unison
U88
Тип ВЭУ У136-3.45
1) Номинальная мощность 3450 кВт
2) Высота оси вращения ротора 132,00 м
3) Диаметр ротора 136,00 м
4) Высота для расчета среднегодовой скорости ветра 132,00 м
5) Высота измерения скорости ветра 10,0 м
6) Среднегодовая скорость ветра на высоте измерения 7,51 м/с
7) Коэффициент формулы Хеллмана 0,17
8) Среднегодовая скорость ветра 8,4 м/с
а)
4 000,0 3 500,0 3 000,0
1 2 3 4 5 6 7
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Скорость ветра [м/с]
¡Распределение ветра
■ Кривая мощности
б)
Рис. 14. Параметры ВЭУ У136-3.45 М"" а) технические характеристики; б) график зависимости мощности и
функции распределения от скорости ветра
1 600 000
1400 ООО
Д 200 000 ч
I ООО ООО и
/ 800 000 н
600000 ^ 400000 200000 0
N
V
N
к
* '-ЛЬ-, ♦ | * | ♦ | ♦,--
14 12
10 8 "
О4 6 >
4
2
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Скорость ветра [м/с]
]Годовое распределение эл.энергии
■Распределение ветра
Рис. 15. Зависимость вырабатываемой электроэнергии и функции распределения от скорости ветра для У136-
3.45 М"
Таблица 6.
Мощность и выработка электрической энергии ВЭУ при их расположении в Палестине
№ У Э т п £ м 0 0 - 3 5- М й о 3 5- М й о 8 8 £ й о 5 4. 3. т чо
и Т § о т м м •а >
1. и,ы 60 60 80 80 132
2. Рь кВт 104,1 180,8 207,4 400,96 1132,5
3. Р2, кВт 141,39 237,25 285,55 624,17 1900
4. Ж], кВт-ч/год 82326,16 150420,6 171696,8 123203,9 751462
5. Ж2, кВт-ч/год 108404,2 187045,1 201801,4 205211,9 1130139
С помощью вышеприведенных данных и графиков определены расчетные значения мощностей этих ВЭУ и годовая выработка электроэнергии при установке в Палестине (таблица 6).
Приведем экономическое обоснование для использования различных типов ВЭУ в Палестине.
Расчет ориентировочный и произведен с учетом таблицы 6. При использовании генерирующей электрической машины американского производства стоимость этой машины будет примерно 1 Вт/$, то есть, ВЭУ мощностью 1 МВт - 1000000 $, 2 МВт - 2000000 $. Цена электрических машин, выпускаемых в Европе, порядка 1 Вт/€, а значит, 1 МВт будет стоить 1 млн. €, 2 МВт соответственно 2 млн. €.
Ко всему этому необходимо добавить строительные, монтажные, наладочные и пусковые работы, подключение к общим энергосистемам. Ориентировочно принимаем эту составляющую расхода в пределах от 25 до 30% от стоимости ВЭУ. Можно провести расчеты при известных значениях стоимости ВЭУ, стоимости 1 кВт-ч для промышленных и гражданских объектов. Для более точного расчета экономической эффективности и окупаемости необходимо учитывать:
а) Ландшафт местности, где планируется располагать ВЭУ ветроэлектростанции (ВЭС). Если это гористая и труднодоступная местность, то стоимость дополнительных расходов соответственно возрастает.
б) Количество однотипных ВЭУ, используемых в ВЭС. Эта составляющая может уменьшить расходы.
ВЫВОДЫ
Таким образом, в результате анализа климатических условий Сектора Газа можно сделать вывод, что регион является перспективным в плане размещения объектов возобновляемой энергетики. Это объясняется значительным количеством ясных дней,
продолжительностью часов солнечного, что является благоприятными факторами для размещения солнечных электростанций. Ветровой потенциал позволяет размещать ветроустановки с начальными скоростями ветра от 3 м/с. При этих условиях был проведен анализ мощности и вырабатываемого количества электроэнергии для нескольких типов ветроустановок.
Электростанции на базе возобновляемых источников энергии могут способствовать уменьшению перебоев в подаче электроэнергии потребителям. Также возможно применение индивидуальных генерирующих устройств. С точки зрения экономических показателей для строительства энергообъектов нужны достаточно большие капитальные затраты, но они могут быть уменьшены путем анализа критериев размещения электростанций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии [Текст]: пер. с англ. / Дж. Твайделл, А Уэйр. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.: ил.
2. Учебное пособие по выполнению квалификационной работы по направлению 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника: в 2-х частях [Текст] / [Э.А. Бекиров, С.Н. Воскресенская, А.В. Андронов, С.П. Муровский и др.]. - Симферополь: ИТ «Ариал». -Симферополь, 2015. - 412 с.
3. Салиев, Э.И. Использование альтернативных источников электроэнергии для энергоснабжения малых канализационных очистных сооружений в республике Крым [Текст] / Э.И. Салиев, Ю.И. Штонда, А.Ю. Штонда, Т. С. Шаляпина, А.В. Пилявская, А. Д. Злобина, С.Н. Шаляпин // Строительство и техногенная безопасность. - Симферополь: Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, 2016. - № 3 (55). - С. 92 - 96.
4. 1ль!на К.О. Геотермальш електростанци з бшарним циклом [Текст] / К.О. 1ль!на // Строительство и техногенная безопасность. -Симферополь: Крымский федеральный
университет им. В.И. Вернадского, 2014. - № (52). - С. 97 - 100.
5. Алехин, А. С. Современное состояние, тенденции развития и мероприятия по совершенствованию ветроэнергетики в России [Текст] / А. С. Алехин // Новая наука: современное состояние и пути развития. - Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "Агентство международных исследований", 2016. - № 7-1 (92). - С. 67 - 70.
6. Руди Д.Ю. Перспективы малой ветроэнергетики [Текст] / Д.Ю. Руди, Е.С. Кожинова // Будущее науки-2016: Сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции в 4-х томах.. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2016. - С. 194 - 196.
7. Рудых, А.В. Обзор мирового рынка ветроэнергетики [Текст] / А.В. Рудых, К.С. Васильева // Молодежный вестник ИРГТУ. -Иркутск: Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2015. - № 4. - С. 22 - 25.
8. Безруких П.П. Ветроэнергетика мира. состояние и прогнозы развития [Текст] / П. П. Безруких // Электрические станции. -Москва: Научно-техническая фирма "Энергопрогресс", 2015. - № 12. - С. 45 - 4.
9. Салимова, Д.И. Будущее за ветроэнергетикой [Текст] / Д.И. Салимова // Интеграционные процессы в науке в современных условиях: сборник статей Международной научно-практической конференции: в 4 частях. -Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "Аэтерна", 2017. - С. 127 - 130.
10. Рыбушкин, Н. А. Нужна ли ветроэнергетика России [Текст] / Н.А. Рыбушкин, Т,А. Самигуллин, А.Р. Хакимов // Современные тенденции развития науки и производства: сборник материалов III Международной научно-практической конференции. - Кемерово: Общество с ограниченной ответственностью "Западно-Сибирский научный центр", 2016. - С. 157 - 160.
11. Халюк Челик М. Ветроэнергетика в Кыргызстане [Текст] / Халюк Челик М., А. Исраилов, М. Дурмаз, Н. Маматов // Вестник КГУСТА. - Бишкек: Кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры им. Н.Исанова, 2014. -С. 191 - 193.
12. Тарасов, А.С. Ветроэнергетика как альтернативный источник энергии в мировом сообществе [Текст] / А.С. Тарасов, В.Ф. Калинин // Технические науки - от теории к практике. -Новосибирск: Ассоциация научных сотрудников "Сибирская академическая книга", 2015. - С. 60 -65.
13. Олешкевич, М.М. Ветроэнергетика -будущее белорусской энергетики [Текст] / М.М. Олешкевич, Ю.В. Макоско, В.М. Олешкевич // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика. -Минск: Белорусский национальный технический университет, 2007. С. 5 - 19.
14. Фатеев, Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки [Текст] / Е.М. Фатеев. - Москва: ОГИЗ - СЕЛЬХОЗГИЗ, 1948. - 546 с.
Bekirov E. A., Voskresenskaya S. N., Ahmed Alicata
INCREASING THE ENERGY POTENTIAL OF PALESTINE TO THE USE OF WIND POWER
PLANTS
Annotation. In the work the analysis of climatic characteristics of the Gaza Strip to determine the possibility of placing installations using renewable energy sources is brought. Calculation of wind speeds at the location of the wind turbines at different heights. The estimate of the power of a single free-standing installation with wind speeds from 3 to 19 m/s is resulted. For the Gaza Strip defined the capacity and generated electric power for various types of the wind turbines. Also provides specific indicators to evaluate the economic feasibility of wind power.
Key words: renewable energy sources, sun power-station, wind power-station, speed of the wind, capacity.
