Электроснабжение населенного пункта с помощью
advertisement
4 5 6 Аннотация В данной Магистерской работе был произведён расчёт нагрузки выбранного объекта, где рассчитывались потенциал энергии солнца и ветра для данного района. Также был выбран энергоисточник, в качестве которого выступает КЭС ВРТБ. Аңдатпа Таңдалған нысанның есептеу жүктемеcі осы магистрлік жұмыста жасалып, күн мен жел әлеуетті энергиясы осы облыс үшін есептелді. Сондайақ, әрекет энергия көзі ретінде КЭС ВРТБ таңдалды. Annotation The calculation of loading of the chosen object was produced in this master's Degree work, where settled accounts potential of sun’s and wind’s energy for this district. Source of energy КЭС ВРТБ comes forward as that was also chosen. 7 Содержание Введение 1. Теоритическая часть 1.1 Ветер в качестве энергоносителя 1.1.1 Возникновение и характеристики ветра 1.1.2 Мировая циркуляция воздушных потоков 1.1.3 Местные влияния на воздушные потоки 1.1.4 Образование течений воздуха в околоземном слое 1.1.5 Потенциал энергии ветра 1.2 Ветропотенциал РК 1.2.1 Будущее в развитие ветроэнергетики 1.2.2 Условия для размещения ВЭУ 2. Характеристика объекта 2.1. Характеристика месторасположения объекта 2.2. Характкристика потребителя 3. Калькуляция нагрузки 3.1. Калькуляция ежедневных графиков нагрузки 4. Энергия ветра и солнца. Калькуляция потенциала ветровой и солнечной энергии района. 4.1. Энергия ветра 4.2. Калькуляция ветрового потенциала энергии района 4.3. Солнечная энергия 4.4. Калькуляция солнечного потенциала энергии района 5. Выработка энергии с помощью КЭС ВРТБ 5.1. Выработка энергии в течение зимнего дня 5.1. Выработка энергии в течение летнего дня 6. Подбор аккумуляторных батарей 6.1. Калькуляция количества аккумуляторных батарей Заключение Список литературы 8 6 9 9 12 14 16 19 22 26 29 31 36 36 38 39 39 44 44 53 57 59 64 64 66 70 73 76 77 Введение Данная диссертационная работа рассматривает энергетические характеристики ветрогенераторов при электроснабжении потребителя. Ветроагрегат, данном случае, является основным источником, но полная схема снабжения - комбинированная, то есть используется энергии ветра и Солнца. Казахстан – участние Рамочной конвенции ООН, касающаяся изменения климата. Конвенция ратифицирована в 1995г. Согласно этой конвенции наша страна несёт обязательство, выполняя программы, касающиеся снижения выбросов в воздух парниковых газов, которые ведут к глобальному потеплению. Одним из способов уменьшения выбросов парниковых газов является использование вместо традиционных источников энергии нефти, угля, газа, гидро, ветро и солнечной энергии – возобновляемых источников энергии, которыми богата наша Республика. Мы имеем значительный ветровой потенциал из-за географических и климатических условий, которые совсем не использовались до сегодняшнего дня в энергетике Казахстана. Правительству Казахстана большую поддержку во внедрение ветроэнергетических ресурсов оказывает ПРООН (Программа развития ООН), совместно проектом «Казахстан – инициатива развития рынка ветроэнергии». Задачей данного проекта является развитие ветроэнергии: а) помощь в образовании Национальной программы образования ветроэнергетики; б) содействие в виде информации и поддержка локальных возможностей для развития объектов по ветроэнергетики в нашей стране и их финансирование (что включает в себя разработку карт ветропотенциалов и увеличение программ по измерению ветровой скорости) ; в) помощь в возведение первой экспериментальной ВЭС мощностью 5 МВт, которая поможет выявить и сократить писки для последующих инвестиций в проекты по ветроэнергетики ; г) исследование, обработка анализ и увеличение опыта и итогов проекта взятых в результате внедрения проекта. Проект внедряется согласно Постановлению Правительства №857 от 25 августа 2003г «О развитии ветроэнергетики». Проект исполняется Правительством РК в лице Министерства энергетики и минеральных ресурсов Казахстана. Финансируется проект Глобальным Экологическим Фондом (ГЭФ), в содействии Казахстана и частных инвесторов. Также были привлечены в качестве софинансирования отдельных задач проекта некоторые международные организации : REEEP (Партнерство по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии) и GOF (Глобальный Фонд Возможностей). За время внедрения проекта сделаны главные задачи проекта: Разработана «Национальная программа развития ветроэнергетики», разработан закон по поддержке возобновляемых источников энергии, выполнен годовой анализ ветропотенциала регионов РК (8 регионов), проанализированы данные по 9 потенциалу ветра за год, выполнена оценка потенциала ветра по регионам, выполнены техника – экономические обоснования возведения ветростанций. По данным на конец апреля 2009 г. Депутаты Мажилиса одобрили проект закона РК «О поддержке возобновляемых источников энергии». Целью нормативного документа является увеличение доли использования возобновляемых источников энергии для снижения энергоемкости, экономии и воздействия сектора производства электрической. На сегодня оптовая цена на рынке электроэнергии составляет 3 тенге за 1 кВт/час, то от ветроэнергетики она составит 8-10 тенге, от преобразователей солнечной энергии – 22 тенге, от биомассы – 6-12 тенге за 1 кВт/час. Однако стоимость электроэнергии от традиционных источников энергии не учитывает затраты на природоохранные мероприятия (см. таблицу 1), транспортировку топлива, а также не учитывает то, что стоимость электроэнергии напрямую зависит от стоимости топлива, которая неуклонно повышается. Таблица 1 – Сравнительные экономические и экологические параметры энергетического производства Показатели Угольны е ЭС Газомазутн ые ЭС ГЭ С АЭ С Нетрадиционная энергетика Солне ч-ная Ветро -вая Геотермал ь-ная Биомас са Выбросы в воздех 100 10-60 - - - - <5 15-40 Потреблени е чистой воды 100 58-63 - 150175 - - - 33-50 Сбор отработанн ых вод 100 40 - <100 4 2 20 40 Продолжение таблицы 1 Плотные отходы 100 <1 - <1 - - - <1 Удельные затраты на охрану окружающей среды 100 14-50 1-2 250571 - <1 <1 13-21 Увеличение расходов на природо – охранные затраты 100 40-83 3-5 7513 - 3-5 5-10 15-33 10 Пока же в республике, по данным Минэнерго, около 80% электроэнергии производится из угля, чуть менее 20% приходится на газ и нефть и лишь 1,7% на энергию воды. 11 1 Теоретическая часть 1.1 Ветер в качестве энергоносителя Ресурсы ветроэнергии на Земли неисчерпаемы. Эти ресурсы образуются из-за взаимовлияния солнца, вращения нашей планеты вокруг оси. Запасы ветроэнергии не добываются. Они формируются рельефом планеты и образуются на различных широтах по разному. Изменение климата температура которого с 1880 выросла на 0,5 °С (Японская служба метеорологии), из-за увеличения парниковых газов (СО2, СН4), вызвало увеличение мощности ветровой энергии. На Кавказе пронеслись мощные ураганы сос скоростью ветра до 60 м/с. На Европу, Америку, Японию нахлынули ураганы с ливнями и затоплениями огромных территорий, что явно показывает изменение климата и увеличение парниковых газов в виде водяного пара. В виду этого ветроэнергетика решает проблему сохранения климата. Ведь один кВт/ч замещает 320 – 350 тонн угля. С давних времён человек мечтал использовать энергию ветра. Её использовали в качестве паруса, лопастей мельницы, где получалась механическая энергия, при использовании тепловых двигателей и централизованной добычи электроэнергии. Ветер применяется с начало ХХ века для выработки электроэнергии. Потом он был забыт. Затем с 70-х годов ХХ века ветроэнергетика вновь используется и занимает важное место и развивается широкими шагами в ХХI веке. Главной потребностью в ветроэнергетики является преодоление бедности в деревнях и пустынных местностях удалённых от электроснабжения, предотвращение изменения климата за счёт теплового и промышленного загрязнения. Главным препятствием использования ветроэнергетики является слабое знание природы и её свойств как энергоносителя равных энергоносителям в газовых и паровых турбинах, двигателях внутреннего сгорания. Удельное энергосодержание ветра не имеет прочных показателей, как у топлива в тепловой энергетике или соотношение между напором и расходом воды в гидроэнергетике. В результате этого, объемы освоения энергии ветра измеряются не в кВт/ч выработанной энергии, относительно к объему переработанного движущегося ветра, а в киловаттах или мегаваттах приведённой мощности ветрогенераторов, что не показывает перспективность использования нескончаемой экологически чистой энергии. Конечно, используемые ветроэнергетические агрегаты не достигли аэродинамического совершенства, не смотря на то, что для их эксплуатации применяются компьютеры для ориентирования ветроколеса и отдельных лопастей в зависимости с направлением и скоростью воздушных потоков. При разработке устройств большой (свыше 1000 кВт) мощности и малой (до 100 12 кВт) мощности всё ещё ищут эффективные решения и используются пропеллерные агрегаты с разным числом лопастей. Необходимо обратить внимание, что двух и четырех лопастные ветрогенераторы большой мощности с 1982 года не производятся. Таблица 1.1 – Конструктивные признаки ВЭС до 198 199 199 199 199 199 198 9 0 1 2 3 4 8 Число ВЭС, установленных в соответствующем году 132 70 244 272 380 547 808 Число лопастей 40 12 16 2 лопасти 20% 9% 8% 6% % % % 58 87 82 3 лопасти 76% 90% 91% 93% % % % 4 лопасти 2% 0% 1% 2% 1% 1% 0% Расположение ротора подветренное 7% 19% 7% 6% 4% 2% 1% 93 наветренное 81% 93% 94% 96% 98% 99% % Регулирование мощности 52 столл 39% 50% 57% 62% 65% 57% % питч 48% 60% 50% 43% 38% 35% 43% Тип генератора асинхр. 64% 49% 74% 71% 71% 82% 75% синхр. 36% 51% 26% 29% 29% 18% 25% Характеристика частоты вращения постоян./ступен 56% 34% 64% 65% 66% 77% 71% ч. переменная 44% 66% 36% 35% 34% 23% 29% 1995 1996 1997 1998 1017 811 810 1032 2% 2% 0% 0% 98% 98% 0% 0% 100 % 0% 100 % 0% 0% 100 % 0% 100 % 0% 100 % 0% 100 % 55% 54% 44% 39% 45% 46% 56% 61% 68% 32% 68% 32% 59% 41% 63% 37% 66% 67% 57% 54% 34% 33% 43% 46% Среди энергетических агрегатов малой мощности также еще нет установившихся решений и используются 1, 2, 3, 4, 5, 6 и многолопастные колеса, правда в ограниченных количествах, снабжаемые хитроумными, но малоэффективными системами ориентирования колес на ветер и вывода из него при больших скоростях. И тем не менее, в 2008 г. мощность ветряной энергии увеличилась в мире до 120 ГВт. Ветроэнергостанции в мире в 2007 году выработали примерно 200 млрд кВт·ч, что равно 1,3 % мирового потребления электроэнергии. В 2007 году в странах Европы было установлено 61% ветряных электростанций, 20 % - в Северной Америке, 17 % - в Азии. Таблица 1.2 - Суммарные установленные мощности по странам мира 2005— 2008 г (МВт). [20] 13 Страна СШA Гермaния Испaния Китaй Индия Итaлия Великобритaния Фрaнция Дaния Португaлия Канaда Нидерлaнды Япония Австрaлия Швеция Ирлaндия Aвстрия Греция Норвегия Брaзилия Бельгия Польшa Турция Египет Чехия Финляндия Укрaина Болгaрия Венгрия Ирaн Эстония Литвa 2006 г., МВт 9159 18593 10073 1250 4457 1728 1367 783 3233 1069 695 1239 1027 584 523 496 831 584 295 25 173 82 27 152 28 86 79 18 15 28 35 9 2007 г., МВт 11732 20754 11516 2427 6281 2132 1926 1576 3136 1761 1415 1585 1348 864 538 756 972 759 339 229 187 161 56 229 61 84 83 38 67 45 34 49 2008 г., МВт 16823 22251 15154 6051 7585 2722 2378 2439 3171 2149 1839 1751 1541 818 789 814 974 882 342 248 291 281 151 323 123 233 85 74 68 65 56 53 2009 г. МВт. 25167 23923 16734 12245 9645 3737 3243 3405 3182 2863 2364 2225 1886 1308 1024 1005 996 987 429 343 474 435 366 88 - 36 28 28 16 36 30 28 17 30 - Продолжение таблицы 1.1.1 Аргентинa 36 Люксембург 27 Лaтвия 28 Россия 15 Таблица 1.3 – Сумма данной мощности, МВт, WWEA до 2010 г. Год Установленная Год 14 Установленная мощность мощность 1997 7475 2004 47686 1998 9663 2005 59004 1999 13696 2006 73904 2000 18039 2007 93849 2001 24320 2008 120791 2002 31164 2009 прогноз 140000 2003 39290 2010 прогноз 170000 В 2007 году: - Энергостанции Германии выработали 15 % от всей произведённой в стране энергии; - 21 % энергии Дании произведено с помощью энергии ветра; - США из энергии ветра выработало 48 млрд. кВт·ч энергии, что составляет более 1,3 % энергии, произведенной за год; - Португалия и Испания из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии. А в 2008 году до 22 марта в Испании из энергии ветра было выработано 40 % электроэнергии. [22] 1.1.1 Возникновение и характеристики ветра Горизонтальное течение воздуха, возникающее в ходе скольжения Земли относительно своей атмосферы, и под влиянием силы барического градиента, под воздействием различий в температурных режимах обширных площадей земли и воды, и отклоняющей силы вращающейся Земли, и силы трения называется «ветром». Сила, с которой движется данный воздушный поток есть сила барического градиента; сила трения выявляется в нижних околоземных слоях воздушных потоков. Часто понимание ветра расширяется и подразумевают вертикальную составляющую его скорости, которая намного меньше горизонтальной, сложнее определяется инструментально. В определение ветра меняются числовая характкристика скорости ветра, выражаемая в м/с, км/ч, узлах и условных единицах (баллах), и направление, с какой стороны дует ветер. Для определения направления рисуют либо румб (по 16 румбовой системе), либо угол, образующий горизонтальный вектор скорости с меридианом ( север определяется как 360° или 0°, восток как 90°, юг - как 180°, запад как 270°). Румб есть вектор относительно сторон света. В Метеорологии обычно делят окружность горизонта на 16 румбов, 1 румб равен 22,5°. Основными определяют вектор на север (С), юг (Ю), запад (3), восток (В). Имена 12 других Румбов есть комбинации имён основных румбов, таких как, северовосток (СВ); северо-северо-восток (ССВ), юго-юго-запад (ЮЮЗ). 15 Рисунок 1.1 - 16 Система румбов Ускорение и вектор ветра часто колеблются, из-за чего их не редко называют сглаженными средними величинами за условный промежуток времени. Сильные изменения колебания режима ветра, определяющиеся мощной турбулентностью, указывается как порывистость или шквальность. Ветровая порывистость – это есть значительные колебания по скорости и вектору с определёнными интервалами в десятки секунд в воздушном течении. Это отчётливо выражено в холодных воздушных течениях с нестабильной стратификацией (распределением температуры в атмосфере по высоте) и, поэтому, с восходящей турбулентностью; это повышается обычно при течении сторон атмосферы, и особенно холодных. Шквальность - сильное увеличение и снижение ветра в за малый промежуток времени, сопровождающегося обычно сменой направления ветра, длительностью ряда минут или десятков минут. Ветер со скоростью около 6-9 м/с является умеренным, свыше 15 м/с мощным; свыше 21 - 26 м/с - штормовым, а свыше 31 - 36 м/с - ураганом. При порывах и мощных потоков ускорение течение ветра у самой земли может увеличиваться свыше 52 м/с, и в разных участках превышать 99 и более м/с. У самой Земли на маленьких участках и на не продолжительное время часто бывает полное безветрие - штиль. В атмосферном воздухе, над слоем трения воздушных масс о поверхность земли, при передвижении воздуха, определяющимся градиентом атмосферного давления, на него влияет сила Кориолиса, создаваемая отклоняющим влиянием вращения Земли. Сила Кориолиса пропорциональна скорости ветра и действует перпендикулярно ей. Под влиянием этих сил создаётся, обычно именуемый, геострофическим, ветер, который дует параллельно изобарам, линиям постоянного давления воздуха при определённой высоте, с одной скоростью, пропорциональной градиенту атмосферного давления. Кроме вышеназванных сил в слое трения, высота которого определённо меняется в течение дня и времени года, с падением высоты увеличивается влияние сил трения между землёй и не пришедшими в движение ветровыми течениями. По причине вязкости воздуха перемещение от слоя трения к 16 невозмущенному течению ветра обычно всегда взаимосвязан с образованием вихрей; такое движение ведёт к тому, что на высоте - до 260 м, которые по новым понятиям создают интерес и внимание по отношению к использованию энергии ветра, текущий воздух является в большой степени турбулентным, т.е. является исключительно неоднородной структурой, как относительно времени, так и относительно пространства. Структура турбулентности характеризуется влиянием меняющегося рельефа Земли и температурой стратификацией. Средняя скорость ветра увеличивается с высотой, а также его направление, как обычно, меняется с набором высоты. 1.1.2 Мировая циркуляция воздушных потоков Ветры над обширными районами земной поверхности формируют большие воздушные течения, благодаря которым образуется общее движение атмосферы, так как шарообразная форма планеты образует разность в удельных тепловых значениях на полюсах и экваторе. Движение тепла и паров воды с экватора на полюса ведет к обширной глобальной обменной циркуляции (рисунок 1.1.2) и а также к так называемую Rossby - циркуляции в воздушных потоках северного и южного полушария. Рисунок 1.2 - Мировая циркуляция воздушных потоков Hadly - циркуляция , как мы видим, показывает высвобождение значительного пространства около экватора от влажного и теплого воздуха в верхних слоях, и зарождение околоземных потоков, нарисованных темными стрелками. Rossby - циркуляция расположена между 30 и 70 градусами северной или аналогично южной широтами и производит волнообразный поток основного течения сквозь теплый воздух к полюсу и холодного воздуха в субтропики. 17 Hadly - циркуляция расположена между 30 градусами южной и 30 градусов северной широты и определяет движение сырых и теплых тропических атмосферных масс. Тот и другой вид циркуляции определяют возникновение постоянной, стабильной ветровой схемы - северо-восточный и по анологие юго-восточный пассаты, из-за чего направление воздушных масс через ось вращения Земли. Последующее движение циркуляции проходит сквозь глобальное размежевание энергии в воздухе с разделением двух крупных циркуляции муссонов и тропических циклонов. Муссоны (слово, возникшее от арабского маусим - сезон) - постоянные ветры в постоянно меняющихся противоположных векторах, которые меняют направление два раза в год. Зимние муссоны обычно дуют с суши на океан, летние - с океана на сушу и в это время льют обильные дожди. Циклоны зарождаются в системе ветров,которые дуют в Северном полуширии против часовой стрелки и по часовой стрелке - в Южном, скорость ветра в циклоне может увеличится до 85 м/с и выше. Пассаты - постоянные на течение года атмосферные течения в тропических широтах, возникающие над океанами. В Северном полушарии пассаты преимущественно дуют в северо-восточном направление, в Южном – в юговосточном. Между пассатами Северногополушария и Южного расположена внутритропическая зона конвергенции. Антипассаты дуют в противоположном направление , относительно пассатов. [3] Из-за определенной общей циркуляции атмосферы и локальной циркуляции, ветер постоянно изменяет величину и направление в какой-либо разной точке пространства, но, в различных областях данная изменчивость ветра отличается друг от друга. Так образом в зоне пассатов ветер чрезвычайно устойчив; в значительной части умеренных широт, особенно в Европе, напротив, ветер заметно изменчив. Как было замечено, ветер у поверхности земли подвергается влиянию суточного хода из-за перемены условий турбулентности в течении дня. С увеличением высоты скорость ветра изменяется в частности вследствие уменьшения тормозящей силы трения о поверхность Земли, и ка следствие в результате показателей горизонтальных градиентов температуры. В побережных районах может возникать определенная ситуация, при которой в нижней части воздушного течения, в котором поставлены ветроэнергетические устройства, ветер двигается с суши на море, в то время как в верхней части - с моря на сушу. Тропические циклоны - крутящиеся восходящие напитанные влагой, теплые воздушные потоки с экватора, соединяющиеся с глобальной циркуляцией воздуха вырабатывают при вращении мощное понижение давления в центре. Поперечные объемы циклонов достигают несколько тысяч километров. Циклоны определяются массой ветров, двигающихся по часовой стрелке в Южном полушарии и против часовой стрелки - в Северном полушарии. Скорость ветра в циклонах возрастает до 310 -360 км/час, более 85 м/с. Циклоны двигаются согромной скоростью по поверхности Земли, и часто имеют собственные имена 18 и несут в себе великую энергию, выюрасываемую при торможении циклона поверхности. Движение циклонов происходит одновременно с сильными волнами с поверхности океана, невосстанавливаемыми разрушениями на суше и мощными дождями - тропическими ливнями. Глобальные атмосферные потоки изменяют рельеф Земли и сливаются с атмосферными течениями, которые создаются в связи с локальными причинами, увеличивая или уменьшая их мощность. 1.1.3 Местные влияния на воздушные потоки Местные влияния на атмосферные потоки создаются в системе суша внутренние водоемы и называются «море - береговые бризы», «горно-долинные ветра» и «катабические ветра». Горно-долинные ветра с цикличностью 12 часов характеризуются градиентом температур соответственно в долинно-горном массиве и доходят до скорости 7-9 м/с. Бризы - это ветры с цикличностью в один день по берегам морей и крупных водоемов. Дневной бриз надвигается на нагретое побережье с воды, ночной на водоем с охлажденного побережья. Бризы как обычно растягиваются на несколько десятков км. по две стороны от берега и на несколько сотен метров в высоту, скорость возрастает до 10 м/с. Схема формирования бризов отражена на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 - Создание морского - берегового бриза Ярким показателем катобического ветра есть Бора – это локальный, мощный достигающий 40-50 м/с студенный ветер в районах приморья, где низкие горные холмы опоясывают теплое море. Как мы видим, на побережье Адриатического моря Югославии, а также на Черноморском побережье в районе Новороссийска бора дует вниз по склонам; обычноэто происходит каждой зимой. Оформление катобического ветра к примеру в Гренландии отображено на рисунке 1.4. 19 Рисунок 1.4 - Катобический ветер на примере Гренландии Векторность атмосферных потоков в местных условиях не проработана, а также, в них развивается вертикальный состав скорости, который во время основных исследований не выделялся из общих показателей ветра. Живыми примерами местных влияний на атмосферные потоки являются природные «аэродинамические трубы», которые образуются под влиянием макрорельефа планеты - горными возвышенностями вместе с водоемами и степными просторами. В виде примера мы можем рассматривать Джунгарские ворота и Шелекский (Чу-Илийский) коридор в юго-восточном части нашей страны. Самое сильное концентрирующее влияние на передвижение атмосферных масс наблюдается в Джунгарских воротах (Республика Казахстан, Талдыкорганская область). [12] Рисунок 1.5 - Джунгарские ворота и Джунгарская долина 20 Джунгарские ворота ( рисунок 1.5), расположенные на балтийской высоте 190 - 380 м, образуются системой горных массивов. С Севера со стороны Китая находятся хребты Майлитау и Джаир высотой до 1848 м, с юга горный хребет Борокоро с высотой до 5500м, ограждающие долину с озером Эби-Аур, песчаной долиной, болотами и озером Манас. Указанные хребты сходятся под углом порядка 20 - 25 0 к проходу между хребтами Майлитау и Джунгарский Алатау в районе станции Достык (Дружба) в Казахстане и станции Ланкол в Китае. На стороне Казахстана Джунгарские ворота находятся между отрогами хребта Джунгарский Алатау (3548м) и Майлитау, расходящимися под углом 35 - 40 ° в сторону Джунгарской долины с озерами Жаланашколь, Алаколь и далее Балхаш (рисунок 1.5). Таким образом, горные системы образуют своеобразное сопло с конфузорной и дифузорной частями, соединяемым критическим сечением. Ширина критического сечения, собственно узкой части Джунгарских ворот составляет 10 - 16 км, длина наиболее ветронасыщенной части составляет 60 - 70 км, захватывает озера Жаланашколь, Алаколь, сильные ветры достигают г. Рыбачье на расстоянии 160 - 165 км. Площадь Казахстанской части Джунгарских ворот составляет порядка 1000 кВ. км. Воздушные потоки движущиеся со стороны Китая образуют ветер «Евгей», скорость которого в осенне - зимний - весенний периоды достигает 45 - 70 м/с. Обратный ветер «Сайкан» формируется в степных районах прибалхашья проходит через Джунгарские ворота со скоростью, достигающей 18-30 м/с. Ветер по перечному сечению Джунгарских воротах не однороден в нем имеются струи или «изгибающийся фарватер воздушной реки», а также северный ветер «горняк». Джунгарские ворота являются естественным концентратором воздушных течений, когда скорость ветра в узкой части ворот превышает в 2,5 - 3,5 раза скорость ветра в долинной части. Пространства и зоны повышенной силы ветра представляют собой источник электрической энергии планетарных масштабов, превосходящим по своей мощи и неисчерпаемости месторождениям угля, нефти или газа. Сконцентрированная в данных районах экологически чистая энергия совершенна достаточна для того, чтобы удовлетворить потребность всех областей в электроэнергии, не оказывая какого-либо вредного воздействия на окружающую среду. В Европе , даже исключая регионы морских побережий, достаточно местностей с сильными ветрами для выработки энергии. Такие места есть в Дании, а также на британских внутретерриториальных областях, а также в центральных областях Германии. 1.1.4 Образование течений воздуха в околоземном слое В нижних слоях атмосферы скорости ветра часто меняются в зависимости от времени уток и высоты, а также на него влияют множество факторов: состав 21 подстилающей поверхности, термической стабильность слоя, общий круговорот воздуха и взаимозависимость с локальным круговоротом ветров. Самый быстрый скачок скорости происходит в наиболее нижних частях пограничного слоя атмосферы (ПСА) во все времена года. Чем выше от поверхности Земли, тем скорость меняется менее резко. К примеру, в стометровом слое над поверхностью Земли 0 - 100 м скорость меняется в частности, на 3,5 м/с в июле, на 3,5% м/с в апреле, а в слое 100-950 м скорость ветра меняется в эти месяцы 0,2 и 0,5 м/с соответственно: также надо отметить, что в различные сезоны года вариативность скорости ветра выше уровня 10м происходит по разному. В середине лета, на высоте 10 м, скорость ветра находится либо на постоянной отметке, либо снижается, а в середине зимы отмечается увеличение скорости до высоты 50 м и выше происходят небольшие изменения ее показателей, в пределах 0,2 м/с до высоты 950 м. Как удалось установить это происходит часто, а совсем не редко, как считалось раньше. Масса атмосферных потоков, воздействуемых на ветроэнергетические агрегаты, составляют в высоту от 6 - до 155 - 210 м и показывают повышенную турбулентность. В формирование этих потоков свой вклад вносят все виды находящихся на поверхности Земли препятствий, термическая стабильность слоя, общий круговорот воздуха и взаимовлияние ее с локальными потоками. Самое быстрое увеличение скорости с высотой показывает в самой нижней части пограничного слоя воздуха во все времена года. В стометровой нижнем слое градиент скорости показывает весной-летом – 3,4-3,5 м/с, в январе-феврале 7,5 – 8,5 м/с на 110м. Изменение горизонтальной скорости ветра по вертикале как правило демонстрируется эпюрой, представленной на рисунке 1.6. Рисунок 1.6 – Схема эпюры скоростей при обтекании плоской поверхности ветром. Конечно, над самой поверхностью Земли скорость течения воздуха равна нулю. Чем выше поднимаемся над поверхностью Земли, тем влияние трения о поверхность уменьшается и формируется, как обычно называют, пограничный слой с характерной турбулентностью. При увеличение температуры вязкость атмосферного воздуха также увеличивается, в следствие чего возрастает толщина пограничного слоя. Принято, что границей пограничного слоя считают линию, на границе которой скорость отлична на один процент от скорости 22 внешнего потока. Из-за того, что кинетическая энергия ветра по сечению пограничного слоя меняется, то под воздействием увеличивающегося давления слои воздуха, находящиеся поближе к поверхности, затормаживаются сильнее. Объем воздуха, пойманный под влиянием вязкости по всей длине поверхности, увеличивается, край пограничного слоя не совмещается с какой нибудь линией тока, линии тока заходят в пограничный слой, пересходят его, двигая турбулентность по потокувниз. Рисунок 1.7 - Создание масштабного вихря Увеличение высоты пограничного слоя создает такое явление, которое на определенной высоте воздушный поток тормозится и изменяет вектор движения, образуя крупномасштабный вихрь. Самое маленькое торможение ветра происходит на гладкой водяной поверхности. Но что характерно, при нарастании волнения увеличивается тормозящее действие поверхности воды и общепринятое представление о влияние пограничного слоя никак не используется из-за непредвиденных разнообразий в возмущение водной поверхности, встречающихся на озере, в море и океане. Конечно, такие представления весьма условны и не вызывают сомнений, потому что названная шероховатость таким понятиям как поле, заросли кустарников, село,поселок, лес определяют их весьма размыто. Отдельные препятствия воздушному потоку вносят свои собственные возмущения в пограничный, как показано на рисунках 1.8 и 1.9. Заросли деревьев, или лес деревьев, образующих ветрозащитные лесные полосы тянутся на расстоянии от 5-7 до 10 - 17 высот лесных насаждений и формируют циркуляцию с наветренной и подветренной стороной. Рисунок 1.8 - Воздействие лесопосадок на течение воздушных масс[13] Конечно, эта воздействие не перманентно по длине плоскости, потому, что на него влияют плотность и однородность насаждений. 23 Препятствия, которые не продуваются – это стены домов, горы формируют вертикальные уплотнения атмосферного потока, разлетающиеся на длину кратное их высоте. К примеру, на вершине горы происходит локальное возрастание скорости, которое доходит до 30-40 % от скорости стоячего потока. Рисунок 1.9 - Течение атмосферных потоков на холмистой местности [15] Воздействие построенных препятствий - домов, сооружений на распределение скорости в потоке горизонтально, видно по всему, детально не рассматривалось. Масштабы ветров небольшие, если сравнивать с расстоянием от них, на которых возможна установка ВЭС. Однако, очевидно, что расположенные рядом здания ведут к местному увеличению скорости ветра, в частности, когда они расположены под углом друг к другу. Затишья Характеристика затиший определяет стратегию при оценке увеличения ВЭС мощностей и в составление их повторяемости. Затишья, которые длятся небольшое время и остановки в генерацие энергии, постоянно сменяющиеся порывами сильного ветра, надо замещать , используя аккумулирующие устройства, рассчитанные, конечно, на выработку энергии в течение короткого времени. Затишья в течение пары часов надо возмещать при помощи аккумулирующих устройств, в которых есть запас энергии на кратковременный срок; затишь, которые длятся до 5-10 часов надо компенсировать при помощи аккумулирующих устройств с запасом энергии , рассчитанный на сутки, затишья , которые длятся до суток надо возмещать при помощи аккумулирующих устройств запасом энергии на сутки или с помощью устройств с запасом энергии на неделю. Для компенсации затиший, которые длятся больше суток надо предусмотреть резервные источники энергии. Затишья делятся для разных метеостанций в зависмости по интервалам времени: 1 - 3 ч, 4 - 9 ч, 10 - 24 ч, 1-10 суток, более 10 суток. Для установки четких границ между разновидностями затиший в виде характеристик ветра надо брать только среднечасовые значения скорости. Потом уточняется, с какой частотой скорость ветра снижается до определенного крайнего значения, свойственного тому или иному виду затишья , и насколько долго длится затишье. 24 Для высот 55 - 255 м, на которых вполне возможно генерация энергии ветра, временное разложение скоростей ветра, а значит, показатели затишья неизвестны. 1.1.5 Потенциал энергии ветра Потенциал энергии ветра определяется анемометрами и представляется как энергия, поступающейся за год, месяц или сутки на единицу условной равной 1м2 поверхности, перпендикулярной направлению ветра. При этом считается, что величина развиваемой мощности при данной плотности воздуха зависит лишь от скорости ветра и определяется выражением: N 1 V 3 Вт 2 2 м (1.1) Измеряемая скорость которая характеризует динамическое нагнетание атмосферного порыва на ветродвигатель называют – мгновенные, потоки такой скорости оказывают влияние на работоспособность автоматических систем корректировки и ориентации. Объём электроэнергии которую вырабатывает ветроагрегат, первостепенно зависит от средней скорости ветра за некоторый промежуток времени, воспринимаемого ветродвигателем. Эта скорость в основном определяет также режим работы агрегата. Максимальные скорости ветра. Безопасность работы ВЭУ (их устойчивость к разного рода поломкам, вынужденным колебаниям и т. д.) требует проектирования отдельных элементов и всей системы в целом, способных работать в наименее благоприятных условиях действительно существующих мгновенных полей скоростей ветра. Предельные значения сил и моментов на лопастях и башнях ветродвигателей, которые подвержены временным и пространственным изменениям, можно установить только при одновременном измерении скоростей ветра, ускорений и направлений во всем районе. До тех пор, пока таких измерений не проведено, конструкции ВЭУ в части, касающейся их безопасной работы, должны выбираться по существующим предельным значениям, определенным по среднечасовым или средним за 10 мин измерениям на стандартной высоте их проведения. Что касается предельной нагрузки на ВЭУ, то она определяется не максимальной скоростью ветра (например, при урагане), а максимальным изменением скорости ветра за короткий промежуток времени. Для их определения требуются измерения максимальных ускорений ветрового потока в пределах секунд, которые следует проводить в течение нескольких лет по возможности на высотах 50 - 200 м. Пока таких измерений не проводилось. Зарегистрированные максимальные скорости ветра достигли 88,3 м/с январь 2004, Полинезийские острова. Скорости ветра в пределах 35 - 45м/с в настоящее время рядовое часто повторяющееся явление. 25 Нередко причиной разрушения ветроагрегата является не столько общий уровень скорости ветра, сколько его динамика и структура вариаций скорости за короткие промежутки времени, то есть ускорение и замедление потока, длительность порывов и их не совпадение в различных точках поверхности, о метаемой ветроколесом, наконец, порывистость потока К ПОР , являющаяся отношением максимально измеренной скорости VMAX к средней V за выбранный интервал времени (обычно не более 2 мин.) К ПОР VMAX V (1.2) Изучение вариаций скорости ветра наиболее плодотворно с помощью композиционного анализа закономерной стохастической интенсивности потока в избранном интервале времени и на ограниченной площади (пространстве). Рисунок 1.10 - Схематическое изображение записи скорости ветра. [14] Запись изменения скорости ветра в одной точке схематически представлена на рисунке 1.10. Обычно отмечают регистрируемые стандартными анемометрами колебания 1, внутри которых формируются порывы 2, соответствующие микро порывам. Наконец, с помощью специальных приборов могут быть выделены и микро пульсации скорости 3. 26 1 - амплитуда порыва; 2 - время формирования порыва; 3 - время падения скорости; 4 максимальная величина изменения скорости ветра. Рисунок 1.11 - Схема формирования порыва ветра: На рисунке 1.11 показан пример формирования порывов ветра, зарегистрированного в одной точке малоинерционным анемометром. Амплитуда порыва 1 в течение 0,3 - 0,35 с, т.е. за время формирования порыва 2, достигла максимального значения в 2 раза превышающего средне мгновенную скрость VМГН . , за 3 с. Время спадание порыва оказалось примерно равным времени формирования, а максимальная величина изменения скорости 4 более чем в 2 раза превышала амплитуду 1. Получается, за время, примерно, 6 сек. энергия ветрового потока изменилась в восемь раз. Вследствие инерции ВЭС энергия, вырабатываемая генератором станции, не может измениться так быстро. Увеличение скорости ветра за такой маленький промежуток мало отразится на вырабатываемой ВЭС энергии, однако приводят к возникновению резких механических нагрузок на лопасти, редуктор на ветродвигатель в целом. Порывистость ветра является функцией ряда факторов и зональных условий и варьируется в значительных пределах. Обычно чем больше скорость, тем меньше коэффициент порывистости, хотя абсолютные отклонения скорости при порыве от средней возрастает. Так, по данным ряда метеостанций, при максимально зарегистрированной среднечасовой скорости ветра 30 м/с изменения ее среднего значения за 2 соседних часа было равно 9,6 м/с (с 9,8 до 19,4 м/с), а за 10 мин 33,9 м/с. В течение часа изменение достигло 19,1 м/с. На рисунке 1.1.5.3 показана одновременная запись скорости ветра в разных точках плоскости перпендикулярной потоку. Видно, что порывы носят хаотический характер и не совпадают ни по величине, ни по направлению. Разница возрастает с увеличением сечения потока. Такая закономерность видна также из записи скоростей ветра малоинерционными и обычными анемометрами, расположенными на расстоянии 10 м один от другого. 1 – Электра анемометром; 2,3 - малоинерционными анемометрами. Рисунок 1.12 - Одновременная запись скоростей ветра: Даже Vч в пунктах, находящихся на расстоянии 5 км, часто оказываются существенно разными. 27 Vi1 и Vi 2 - записи скоростей анемометрами; Vч1 и Vч 2 - осредненные часовые скорости в указанных пунктах. Рисунок 1.13 - Изменение скорости ветра в пунктах, удаленных на 5 км один от другого Из выше сказанного, видно, что проблема порывистости ветра очень важна, требует детального изучения в каждом отдельном случае повторяемости скоростей ветра в конкретной зоне, их хронологическом ходе, и ряде других характеристик. Самым главным из кадастровых свойств является повторы скоростей, изменяемость средних и безветренных периодов, режимы повышенных (штормовых) скоростей. Значение среднегодовой и средне сезонный показатель ветра имеют главные и хорошие кадастровые свойства среднего уровня интенсивности ветра, но как показала практика, эти свойства не являются точными для определения всех возможностей и производительности ветроустановок. Показания о ветре всегда делают в статистической закономерности для кадастра, в графиках и таблицах, используя сведения многолетних исследований на метеостанциях, а также данными специальных анемо разведок. Для высокой точности ветроэнергетических расчетов надо знать и иметь характеристики скорости ветра за каждый час на конкретном участке местности. 1.2 Ветропотенциал РК В Казахстане уже на протяжении многих лет тема развития альтернативных источников энергии остается открытой. Много разговоров, а также всевозможных инициатив по созданию в Казахстане реально действующих предприятий, использующих в качестве источника энергии альтернативу, взятую с солнцем или ветром. Однако с недавнего времени Казахстан постепенно стал переходить на использование альтернативной энергетики, но пока еще в малых масштабах. Так, в Джунгарских воротах установлена при помощи программы ООН экспериментальная станция по выработке энергии из ветра, и пока результаты еще не известны, сама по себе попытка создания уже говорит о многом. Альтернативная электроэнергетика или возобновляемые источники электроэнергии и их использование, как на данный момент показывает практика 28 в прошлом не использовалось, набирает популярность в наши дни. Такой интерес возник из-за того что на сегодняшний день необходимость электроэнергии в экономических целях растёт большими шагами, время от времени возникающие кризисы в мире электроэнергетических потребителей, паника нехватки электроэнергии и большой вред природе при эксплуатации минеральных ресурсов планеты и поиск альтернативных источников электроэнергии, которые придут взамен минеральным ресурсам. Таким примером, темпы потребления и производства электроэнергетических ресурсов планеты с 2001 по 2008 год показывает, что за период этого времени увеличилось потребление электроэнергии на 150%, как показывает мировое потребление энергии, данный рост потребления находится на 7-9. Этот показатель был неизменном в начале 2009 года. Данное увеличение производства только на 10,3% осуществлялся с помощью введения новых мощностей. Большее количество мощности было изъято из резервов уже имеющихся агрегатов. Из показателей и калькуляции прогнозов, видно что обеспеченностью электроэнергией страны, потребление энергии будет увеличиваться в Республике Казахстан на 170% к 2016 году. Но к сожалению в 2010 году производственно – технические возможности электроэнергетики (около 83-85 млрд. кВт·ч) не достаточен, как показала практика это являлось недостатком электроэнергии в 2009-2010 года, большей площадью в Южных регионах, в количестве 265 МВт. . На данный момент увеличение мощностей электроэнергии на территории Республики Казахстан, которые являлись бы главными для производства и потребления электроэнергии на территории Республики Казахстан, возможно только к 2016 году. [4] Во всех звеньях электроэнергетики Казахстана остро стоит проблема старения основного и вспомогательного оборудования: на электростанциях, электросетевых и теплоснабжающих объектах. а) износ основного оборудования электростанций достиг 70%, в 2006 году в эксплуатации находилось более 20% генерирующего оборудования, достигшего предела паркового ресурса, срок службы которых уже продлевался. К 2010 году парковый ресурс исчерпают около 90% основного оборудования ТЭЦ. Таким образом, генерирующее оборудование электростанций приближается к техническому пределу своих возможностей, дальше которого происходит выбытие мощностей. б) По электросетевым компаниям выводы экспертных организаций по итогам их обследований и данные предоставляемые энергетическими предприятиями указывают, что уровень износа электросетевого хозяйства региональных электросетевых компаний страны составляет порядка 65%. Вследствие чего, увеличились аварийные отказы энергооборудования и объемы технических потерь в электрических сетях, превысив 15-20% по некоторым энергопредприятиям. 29 в) особенно напряженная ситуация складывается в системе централизованного теплоснабжения, где износ тепловых сетей и котельного оборудования достигли 80%, вследствие чего значительно увеличились расходы топлива на выработку 1 Гкал тепловой энергии и потери до 26% в тепловых сетях. Еще одним аргументом в пользу ВИЭ является неэффективность существующей централизованной системы электроснабжения в условиях огромной территории (2,7 млн. км2) и низкой плотности населения Казахстана (5,5 чел/км2), поскольку это приводит к большим энергоёмким потерям при транспортировании электроэнергии труднодоступным регионам. На данный момент, использование возобновляемой энергетики может уменьшить траты на электроснабжение посёлков, которые расположены далеко. Основная масса энергогенерирующих предприятий по выработки электроэнергии в Республике Казахстан работают на минеральном топливе. На тепло станциях Казахстана производится основная доля электроэнергии, а если быть точнее, то 59,2 млрд. кВт·ч энергии, что является 70% всей выработанной электроэнергии Казахстана. На вложение гидростанций приходится 1,7%. Вся остальная электроэнергия добывается на газовых электростанциях. Привлекательность ВИЭ связана с неисчерпаемостью этих ресурсов, независимостью от конъюнктуры цен на мировых рынках энергоносителей и экологической чистотой. Последний аргумент особенно актуален, поскольку традиционная энергетика оказывает негативное воздействие на окружающую среду, как на местном уровне, так и в глобальном масштабе. Чем является источники ВИЭ в Республике Казахстан? Данный тип вопроса имеет главное значение для использования и развития в любой технологической деятельности. Опираясь на калькуляцию и представленные метеорологические данные, ветро потенциал на территории Републики Казахстан является примерно 3,2 млрд кВт·ч. Крупный потенциал на территории Республики Казахстан объясняется географическим положением страны, который находится в ветряном потоке северного плушария земли. В основном популярностью пользуется район Джунгарских ворот, который находится возле Шелекского коридора и Китайской границы. Данная производительность генерации электроэнергии я из атмосферных ветров являются незаменимыми. Но потенциал Республики Казахстан в генерации электроэнергии на этом не заканчивается. На территории Республики Казахстан практически везде имеется необходимый ветровой потенциал. На данный момент есть примерно 16 объектов выбранных под строительство ветровых электростанций. Но в некоторых районах ветровой потенциал доходит до 11 МВт на квадратный километр, что является выше статистической нормой. Не все страны мира являются обладателем таких ветровых ресурсов. По мнению эксперта ООН по ветроэнергетики Геннадия Дорошина, в настоящий момент традиционные источники энергии, основанные на использовании органического топлива, составляют основу всей мировой энергетики, и энергетика Казахстана не является исключением. 30 Республика обладает огромными запасами традиционных энергоресурсов (0,5% от мировых балансовых запасов топлива), обеспечена ими на длительную перспективу и имеет значительный экспортный потенциал. На данный момент главным источником электроэнергии в Республике Казахстан является уголь. Главные Угольные станции распологаются в центре Казахстана. На долю ЛЭП приходится примерно 448 тысяч километров, из-за чего происходят большие потери в передаче электроэнергии, что способствует большему выработку электроэнергии и потреблению большего количества топлива электрогенерирующих станций. По удельному потреблению энергоресурсов на долю ВВП Казахстан значительно опережает развитые страны, демонстрируя энергоэкстенсивность своей экономики. Так, удельная энергоемкость ВВП составляла в республике 2 т нефтяного эквивалента (т.э.н.) на $1000, в то время как у стран Организации экономического сотрудничества и развития этот показатель равен 0,19 т.н.э./$1000. Уменьшение в развитие применения общеизвестных энергоресурсов, таких как уголь, должна выразиться в потребности понижения отрицательного влияния классической энергетики на природу, а также ограничение выбросов парниковых газов, которые оказывают огромное влияние на всемирное изменение климата. Перспективы ветроэнергетики в нашей Республике имеют некоторые дополнительные преимущества. Они базируются на специфических особенностях Казахстана. Огромная территория, многие населенные пункты находятся на значительном расстояние от крупных электростанций, которые в основном расположены у угольных месторождений, в результате чего возникает необходимость тянуть линии электропередачи значительной протяженностью (порядка 450 тыс. км). Все это влечет за собой большие технологические потери в ходе передачи электроэнергии (около 15 %), также ведет к потере электроэнергии от электросетевых повреждений. Эти недостатки наглядно видны на примере электроснабжения некоторых стран СНГ. Недавно большая авария Молдавских электросетей привела к коллапсу национального масштаба. Подобные проблемы произошли и в Волгоградской области России. Несколько тысяч жителей области остались без электричеста в холодную зиму. Также можно вспомнить массовое отключение света в нескольких районах города Алматы, которое длилось более 12 часов. Конечно, Национальная электрическая компания КЕГОК прилагает все усилия к обеспечению надежности работы электросетей, но стратегия чрезмерной централизации электроснабжения, сохранившаяся с прошлых лет, отмечен этим характерным недостатком и, следовательно, не в состоянии поддержать бесперебойную стабильность энергоснабжения. Следовательно, частичная децентрализация с применением локальных источников энергии, в качестве которых можно использовать ВИЭ, вполне могут быть рассмотрены в качестве веского дополнения к действующей системе электроснабжения, и с точки зрения экономики, и для поддержания ее надежности и надежности. 31 Развитие использования ветроэнергетики в Казахстане до сих пор находится на начальной стадии, и к тому же не имеет поддержки в законодательстве. И хотя в настоящее время разрабатывается новый закон об энергосбережении, прогнозы специалистов на ближайшее будущее по ряду причин не самые оптимистичные. Наиболее перспективно развитие производства малых ветроустановок, так как они могут быть применены не только на 80-90 % территорий РК и сопредельных стран, но также в отдаленных и труднодоступных пунктах. Ветроэнергетика является одной из самых главных и разносторонних проблем. Одной из главных особенностей этой проблемы является то, что не вовлекать возможности и ресурсы, данные в дар нашей природой преступно, особенно в наших, казахстанских условиях, когда сделано столь много. 1.2.1 Будущее в развитие ветроэнергетики Вид энергетики будущего является масштабное применение ветровой энергии. В виду того, что Казахстан находится в ветровом поясе северного полушария, наша страна виртуально имеет большой потенциал ветроэнергии в 1820 млрд. кВт/ч. Через 10 лет доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в энергетическом комплексе Казахстана возрастет лишь до 5%, учитывая, что на сегодня показатель альтернативных источников энергии равен 0,1%. Такие данные привел вице-министр энергетики и минеральных ресурсов РК Дуйсенбай Турганов, представляя в комитете по вопросам экологии и природопользования мажилиса проект закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии». В краткосрочной перспективе ВИЭ в Казахстане будут развиваться, прежде всего, как решения для частичного энергообеспечения объектов индивидуального жилищного строительства, возможно систем питания, удаленных станций контроля или мониторинга, то есть установки до 3 кВт установленной мощности. Такое мнение высказал «Капитал.kz» Евгений Кушнир, эксперт АО «Национальный инновационный фонд». Это связано с тем, что сегодня в Казахстане реализованные проекты скорее точечные небольшие проекты в солнечной энергетике, немного реже используются возможности ветряной энергетики. Реализация крупных проектов, по словам Евгения Кушнира, осложняется тем, что у казахстанского бизнеса пока нет удачного опыта ведения подобных проектов. «Как правило, структурирование проектов осложнено участием многих заинтересованных сторон: требуется координация частного капитала, проектных организаций, имеющих опыт в данной области, а также поддержка со стороны государственных органов. Более того, строительство генерирующих мощностей всегда тянет за собой создание сопутствующей инфраструктуры, а это дополнительные затраты и время. Нестандартность данного бизнеса для 32 казахстанских условий создает определенные препятствия, которые, надеемся, все же будут преодолены», - отмечает эксперт. Ветроэнергетика является одним из самых быстро разрастающихся коммерческих типов ВИЭ. В современных условиях мощность установленных ветроэлектростанций (ВЭС) на всем земном шаре равна примерно 85 000 МВт, что приблизительно составляет 1% глобальной энергетической мощности. Ветроэнергетика стабильно показывает увеличение мощности, до 25-35% ежегодно. Как отмечает г-н Дорошин, руководитель проекта по ветроэнергетике при Министерстве энергетики и минеральных ресурсов РК, заинтересованность в прогрессе энергетики ветра обусловлена некоторыми причинами. Во-первых, это возобновляемый источник энергии ,который будет доступен вне зависимости от изменения цен на мировом рынке на топливо; во-вторых, потенциал ветра общедоступен на большей территории Земли; втретьих, стоимость электрической энергии от ВЭС близка к традиционным тепловым станциям; в-четвертых, совершенно нет выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов в воздух; в-пятых, возникает способность децентрализованного, местного снабжения электроэнергией удаленных поселков и районов. По словам вице-министра, в разработанной министерством программе развития ветроэнергетики «прописаны четкие цифры» по запланированному использованию ВИЭ. «В 2015 году - это 750 млн. киловатт-часов только ветроэнергетики. К 2020 году у нас выработка энергии на ветроэлектростанциях возрастет до 3 тыс. мегаватт», - сообщил он. Кроме того, по его словам, с принятием соответствующего закона о поддержке использования ВИЭ «постепенно мы уже четче будем разрабатывать программы по остальным видам ВИЭ - гидроэнергетике, солнечной энергетике». По прогнозам Минэнерго, в Казахстане уже к 2015 году «разовьется рынок зеленой электроэнергии». Изучение потенциала ветроэнергетики в различных точках на территории Республики Казахстана, которое было организовано в ходе реализации проекта Программы развития ООН по ветроэнергетике, демонстрирует присутствие значительного ветрового потенциала и условий для возведения ВЭС. Данные территории должны быть рассмотрены для возведения ВЭС уже в перспективе до 2016 года. Между тем, в реалиях действующего рынка электроэнергии энергетические ресурсы ветра нашей страны катастрофически остаются неосвоенными, также как и другие разновидности альтернативных источников энергии. Главной причиной выступает неконкурентность энергетики ветра по сравнению с угольной энергетикой в условиях, когда стоимость электроэнергии от угольных станций не отражает долгосрочных затрат на воспроизводство, а также затрат, связанных с влиянием угольной энергетики на окружающую среду, отмечает руководитель Программы. 33 Стоимость электроэнергии от ВЭС зависит от ряда факторов, в числе которых величина ветрового потенциала, мощность ветроэлектростанции, стоимость строительства, затраты на финансирование. Для мест с хорошими ветровыми условиями расценки электрической энергии ВЭС в период окупаемости инвестиций должны быть около 6-8 евроц/кВт∙ч. С учетом тенденций снижения стоимости оборудования предполагается дальнейшее снижение стоимости электроэнергии от ВЭС до 4-6 евроц/кВт∙ч, что сопоставимо со стоимостью электроэнергии от новых тепловых электростанций. По самым заниженным подсчетам планируется, что уже к 2016 году мощность возведенных ВЭС на Земле достигнет около 155 000 МВт, в то время как к 2020 году-250 МВт, что составит 2,8% от общей произведенной мощности. Как отмечают в Национальном инновационном фонде, опираясь на выводы исследования отрасли альтернативной энергетики в РК, сделанные в 2008 году по его заказу, существует несколько ключевых барьеров, препятствующих развитию ВИЭ. Одним из которых является - информационный барьер, означающий дефицит сведений о выгодах доходности инвестиций от использования ВИЭ. 1.2.2 Условия для размещения ВЭУ Для определения целесообразности размещения ВЭУ и выбора площадки для строительства отдельной ВЭУ или ВЭС с целью получения ветровой энергии первым этапом является проведение многолетних метеорологических измерений их ветрового потенциала с помощью специализированного сертифицированного оборудования, устанавливаемого на метеорологических мачтах высотой 50 м и более. Выбор площадки должен удовлетворять следующим критериям: - Ветровые ресурсы. Для оценки ресурсов предполагаемой площадки будущего ветрового парка необходимо произвести длительные измерения и и оценку средней скорости ветра на предполагаемой высоте установки оси ротора ВЭУ. Обычно выбирается площадка с достаточными ветровыми ресурсами на основе предварительного сбора и обработки имеющейся метеорологической информации не менее чем за 10 летний период. Скорость ветра требует более аккуратного определения действительных непрерывных замеров на площадке с помощью современных компактных метеорологических станций в течении хотя бы одного года. Скорость ветра должна быть менее 3 м/с для тихоходных установок и более 3 м/с для других типов ВЭУ с тем, чтобы раскрутить лопасти и довести их до определенных аэродинамических параметров, после которых ВЭУ начнут работать в режиме генерации электрической энергии. Ветровые агрегаты лопастного типа «должны разбежаться». Ощутимая выдача мощности ВЭУ вырабатывается при скорости ветра около 6 м/с, а средняя мощность большинства ВЭУ достигается при скоростях ветра в 10 м/с для ВЭУ с питч – регулированием лопастей и 16-18 м/с для ВЭУ со стол – регулированием. [10] - Подход к площадке. Для сооружения отдельной ветроэнергетической установки или ВЭС необходимо обеспечить доступ тяжелых транспортных средств на площадку для поставки крупногабаритного оборудования. Доступ к 34 площадке необходимо оценить, определить существующие дороги в части необходимости улучшения дорожного покрытия, обслуживания автодорог и усиления грузоподъемности мостов, что часто может потребоваться при реализации проекта сооружения ВЭС. Необходимо уведомить местные власти и согласовать с ними начало работ. Передвижение транспортных средств между ветровыми турбинами на строительной площадке должно быть свободным, дорога на площадку должна быть доступной и пологой, при этом желательно избегать крутых изгибов (поворотов) и скатов (подъемов и спусков). - Зрительная оценка и оценка ландшафта. Ландшафт должен быть детально описан, необходимо определить и оценить воздействие предполагаемой ветровой установки на зрительное восприятие. После рассмотрения ландшафта разработчики должны оценить обзор предполагаемой площадки и потенциальную значимость предполагаемого использования площадки с точки зрения общественности и его мнения относительно будущего строительства ветрового парка по соседству с ними. - Соседство с жильем. Ветровые турбины не должны быть расположены слишком близко к жилью, так как шум, мерцание теней, зрительное преобладание или отраженный свет могут влиять на привычные удобства жителей и комфортные условия их проживания. - Оценка шума. Необходимое расстояние между местожительством и предполагаемой установкой будет зависеть от ряда факторов, включая местную топографию, характер и уровень местного фонового шума, размер имеющейся площадки для установки ВЭУ. Необходимо сделать прогноз производимых предполагаемой ВЭУ уровне шумов, который должен быть представлен в форме соглашения с местными управлениями по охране окружающей среды и здравоохранению. - Экологическая оценка. Разработчики должны принять во внимание существующую информацию, относящуюся к экологическим требованиям, которые охватывают потенциальную площадку и потенциально защищаемые виды фауны и флоры, найденные на предполагаемой площадке (в течение года или сезонно), и рассмотреть информацию с точки зрения потерь естественной среды и сохранения биоразнообразия. Проведение оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) должно быть выполнено в соответствии с нормативным документом Республики Казахстан – «Инструкция по проведению оценки воздействия намечаемой хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду при разработке предплановой, предпроектной и проектной документации», согласно перечню объектов (видов деятельности), для которых необходимость полной оценки предполагается государственными экспертными органами на основании предварительной экспертизы или с применением пороговых уровней. - Телекоммуникации. Ветровые турбины своими электромагнитными полями могут влиять на микроволновые печи, трансляцию теле- и радиопередач, работу радаров, сигнализацию и автоматику. Данные ситуации должны быть рассмотрены в проекте, если установки располагаются на расстоянии менее 25 35 км. В большинстве случаев возникающие технические проблемы могут быть решены. - Гражданские и военные аэропорты. При установке ВЭУ на площадках, близких к аэропортам и находящимся в створе пролета самолетов на удалении до 60 км, необходимо информировать об этом местные власти. С ними должны быть согласованы земельные участки под ветровую установку. Существующие у Министерства обороны локаторы, радары или другие линии коммуникаций должны быть определены и приняты во внимание. - Другие условия. Рекомендуется произвести тестирование, является ли конструкция ветровой турбины либо установка ВЭУ практичной и экономичной с точки зрения обеспечения доступа к дороге. Рекомендуется провести изучение сети местных дорог и оценить ограничения доступа к предполагаемой площадке; необходимо изучить водные ресурсы и выявить масштабы весенних половодий (поверхностные и грунтовые воды). При планировке и разработке проекта сооружения ВЭС должны приниматься во внимание характеристики, которые можно извлечь из чтения карты: препятствия в виде зданий и сооружений, лесных массивов, проходящих трубопроводов и т.п. Если на площадке проводилась горнодобывающая деятельность, рекомендуется оценить последствия деятельности (так как это может повлиять на выбор мест расположения турбин и инфраструктуру площадки) путем использования мелкомасштабной карты, космического снимка или результатов компьютерного моделирования. Необходимыми факторами и ограничениями для ветроэнергетических станций (ВЭС) являются: - наличие многолетних метеорологических данных по скоростям и направлениям ветра; - наличие в районе установки ВЭС электрических нагрузок для их покрытия от ВЭС; - наличие в районе достаточных мощностей, отсутствие в будущем дефицита мощностей: каким образом осуществляется их покрытие в настоящее время и планируется в будущем; - существующие тарифы на электрическую энергию и прогнозируемые в будущем; - среднегодовые данные замеров скоростей ветра на высоте 10 м над уровнем земли на близлежащих метеорологических станциях; - существующая нагрузка региона (района) и потребность в мощности; - существующее годовое электропотребление региона (района) и перспективу на 10 лет, МВт и кВт∙ч; - существующие местные возможности по генерации мощности и годовой выработке электрической энергии в регионе (районе), (МВт и кВт∙ч) от местных источников электрической энергии (ретроспективная, существующая и перспективная на 10 лет, установленная и располагаемая мощности, диапазон регулирования мощности, скорость набора или сбора нагрузки генераторами, наличие и размещение потребителей-регуляторов в радиусе до 100 км); 36 - величина существующего в настоящее время дефицита мощности и электрической энергии и в перспективе в ближайших узлах местных электрических сетей (МВт и кВт∙ч), имеющаяся на сегодняшний день потребность в электрической мощности региона (в МВт) и каким образом она покрывается; - ожидаемый дефицит мощности (МВт) в перспективе на 10 лет – перспективы развития крупных предприятий индустрии и рост их электропотребления; перспективы развития городов и населенных пунктов в частности роста их электропотребления; - наличие автомобильных и железнодорожных дорог вблизи мест предполагаемого сооружения ВЭС; - указать зоны (земли и территории), не подлежащих использованию (отчуждению) в технических и производственных целях, и отчужденных под государственный резерв. Генерация электроэнергии ветроустановкой в районе, где его возведение рассматривается в зависмости от энергетического потенциала ветра и конструкции ветроустановки. Мощность поток ветра можно подсчитать согласно данной формуле: P 1 A V 3 , 2 (1.3) P - мощность потока ветра (Вт); 3 - плотность воздуха (1,225 кг/м , при стандартных условиях); A - поперечная S сечения потока ветра (м2); V - ветровая скорость (м/с). При известной средней скорости ветра за год и распространение скоростей ветра имеет обычный характер, тогда средняя мощность потокаветра определяется по формуле: PC 1,17 A VC3 , (1.4) где PC - средняя ветровая мощность (Вт); VC - средняя ветровая скорость (м/с). Нынешние ВЭУ (горизонтально-осевые) могут использовать только лишь 25% всей мощности поток воздуха в полезную мощность, а значит: (1.5) PВЭУ 0,25 1,17 AК VC3 0,292 AК VC3 , PВЭУ - мощность на выходе ветроустройства (Вт); 2 AК - S поверхности, ветровоспринимающая ветроколесом (м ); VC - номинальная ветреная скорость в соединении ветроколеса с основание (м/с). 37 Объём электроэнергии, которую вырабатывает ветроагрегат за расчетный период времени можно определить следующим образом: W PВЭУ T , 1000 (1.6) где W - количество вырабатываемой энергии (кВт·ч); T - расчетное время работы ветроагрегата (ч). Среднее количество энергии, которую ветроагрегат выработает за год находится по формуле: WC , Г 24 365 P 2,56 AK VС3, Г , 1000 (1.7) где WC , Г - среднегодовая выработка энергии ветроагрегатом (кВт·ч/год); VС , Г - среднегодовая скорость ветра (м/с)). Следуя из вышеперечисленного средняя выработка электроэнергии в год зависит от размеров ветроколеса и среднегодовой скорости ветра. 38 2 Характеристика объекта 2.1 Характеристика месторасположения объекта Город Ерейментау, Акмолинской области, Республики Казахстан был основан в 1948 году как поселок при строительстве железной дороги Акмола Павлодар. Население — 10,5 тыс. жителей (2014). В 1951 году он был преобразован в поселок городского типа, а в 1965 году Ерейментау получил статус города районного значения. Город Ерейментау имеет развитые транспортные связи с населенными пунктами района и области. Через город проходит железнодорожная магистраль Астана - Павлодар, а также по северной границе города Кокшетау - автотрасса, соединяющая города Астану, Павлодар и Семипалатинск. Расстояние до столичного центра г. Астана - 167 км, до областного центра Кокшетау – 470 км. Определяющую часть социально-экономической системы города составляет промышленный сектор экономики. На территории бывших заводов щебеночного и завода ЖБИ создано и работает предприятие ТОО «МуСа Импэкс». Предприятие занимается разработкой кварцитовых руд, переработкой его в щебень различных фракций на вновь восстановленном оборудовании и отправкой потребителям. На территории города набирает темпы предприятие ТОО «Кулагер-Тас» - мобильный щебеночный завод. Производится запуск и отправка потребителю строительного щебня разных фракций. С вводом в эксплуатацию данного завода в г. Ерейментау открылись дополнительные рабочие места. Другим предприятием этой же отрасли является ТОО «Астананерудразработка» - завод по производству строительного камня. На данном предприятии трудятся от 50 до 150 человек. ТОО «METAL KZ» является правопреемником производственного кооператива «Эльбор», основанного в 1997 году. Это успешно развивающаяся компания. Основное направление деятельности - литье деталей из цветных сплавов, чугуна и вкладышей подшипников скольжения коленчатых валов тепловозов 2ТЭ10,ТЭМ-2, ЧМЭ-3 и др., втулок и вкладышей экскаваторов ЭКГ-5А; ЭКГ-8И; ЭКГ-4У;ЭКГ-15,ЭКГ12,5;ЭКГ-10; ЭКГ-5У; дробильного оборудования и другой техники, более 400 наименований. Свою деятельность предприятие также осуществляет на выполнении разовых заказов, что позволило перестроить свою деятельность на работу с потребителями горнорудной промышленности и прочих промышленных предприятий. ТОО «Ерейментау жөндеу депосы» осуществляет деятельность по ремонту тепловозов, ремонт дизельных двигателей, ремонт мотор-вагонного состава, отливку изделий из оловянной бронзы. ТОО «ТМЗ Сервис Казахстан» является официальным представителем ОАО «Тихорецкий машиностроительный завод им. В.В. Воровского» в Республике Казахстан. Организация создана в 2007 году и обладает всеми правами по продвижению, техническому сопровождению, изготовлению продукции данной торговой марки. ТОО «ТМЗ Сервис Казахстан» специализируется на производстве, техническом обслуживании, капитальном ремонте, модернизации 39 железнодорожного специального подвижного состава, для чего, принимает участие в переговорах, тендерах, программах направленных на обновление железнодорожного подвижного состава Республики Казахстан. Первого июля 1976 года для обеспечения капитального и регламентного ремонта автомобильной техники Туркестанского и Западно-Сибирского военных округов был введен в действие "811 военный завод". Основной вид деятельности капитальный ремонт автомобильной и гусеничной техники, двигателей и агрегатов к ней. За немалую историю своего существования заводом освоены: капитальный ремонт автомобилей и двигателей семейства КамАЗ, УРАЛ, КРАЗ; шлифовка коленчатых валов и наладка топливной аппаратуры; капитальный ремонт и модернизация гусеничных тягачей. АО «Самрук-Энерго», исполняя поручение Главы государства и намеченный Правительством Казахстана путь развития, приступило к освоению возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Для реализации проекта в области ВИЗ 27 июня 2011 года под регистрационным номером 40481-1901-ТОО была создана ТОО "Первая ветровая электрическая станция" ("ПВЭС"), которая является дочерней компанией ТОО «Samruk- Green Energy». ТОО «ПВЭС» было учреждено для реализации проектов в области возобновляемых источников энергии, а именно строительства ветровых электрических станций. В городе действует Агротехнический колледж №8, 6 общеобразовательных школ, 3 дошкольных учебных учреждения. В городе действует Агротехнический колледж №8, 6 общеобразовательных школ, 3 дошкольных учебных учреждения. В городе имеются Районный Дом Культуры, Краеведческий музей, Городская Библиотека, Дом Детского Творчества. В состав городского здравоохранения города входят: городская поликлиника и центральная городская больница. Через город с востока на запад проходит железнодорожная магистраль Павлодар — Астана. Функционируют городские автобусные маршруты а также 4 таксопарка. Услуги связи населению и промышленным предприятиям города предоставляются Филиалом АО «Казахтелеком» Ерейментауским РПУТ. АО «Казпочта» - национальный оператор почтовой связи Республики Казахстан, предоставляет полный спектр почтовых и финансовых услуг в Ерейментауском районном узле почтовой связи. Данный район является одним из 15 районов наиболее перспективных для установки ВЭС по программе развития ООН. 2.2 Характеристика потребителя В данном населённом пункте будет расположено: пять жилых домов и три автозаправочных станции. На каждой автозаправочной станции работает по два человека. Таким образом учитывая семьи работников, в пяти домах будет проживать 15 -1 6 человек. В следствии этого, необходимо обеспечить электроэнергией пять домов. В каждом доме имеется нужные электроприборы для комфортного проживания. 40 Также есть три автозаправочных станции на которых имеются скважинные насосы для АЗС. Насосы модели DR 23B-20, эти насосы необходимы для перекачивания бензина . Основные свойства насоса указаны в таблице 2.1. Таблица 2.1 – Основные свойства насоса DR 23B-20 Подaча дo 6 л/с Напoр дo 105 м Температуpа жидкoсти дo +45°C Максимальнoе прохoждение 145 г/m3 твердых чaстиц вo взвешеннoм состoянии Числo зaпусков мaкс. дo 25/час Максимальная глубинa пoгружения нaсоса 145 м Диaметр насoса 105 мм Этот насос включает в себя двигатель DH507. Для калькуляции нужной нагрузки для насоса, нам нужно знать мощность данного электродвигателя. Главные технические свойства электродвигателя предоставлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Основные свойства электродвигателя Мощнoсть 3 кВт Нaпряжения 380 В Частoта 50 Гц Клaсс зaщиты IP58 Клaсс изoляции В дo мoщности 5,5 кВт Частoта включения до 20 р/час Кoлебания нaпряжения +7/-11% oт номинальнoго нaпряжения электрoдвигателя 41 3 Калькуляция нагрузки 3.1 Калькуляция ежедневных графиков нагрузки Для нашего случая потребители – это пять домов и три автозаправочных станции. Если брать дефицит электроэнергии, то количество бытовых электроприёмников выбран минимальный. Потребители электроэнергии как электрочайник, утюг, холодильник работают на переменном токе. Из-за этого количество мощности в течении электропотребления будет отличаться от номинальной мощности. Данный случай нуждается в использовании коэффициента использования для определения средней мощности: утюг – 0,5; электрочайник – 0,25, холодильник – 0,25. Полная мощность, потребляемая ими, рассчитывается по выражению: S p РH Ки / cos , (3.1) где PP - мощность электроприёмника; K Иc - коэффициент использования. Сумма полных мощностей однотипных электроприемников: S p S p n , (3.2) где n - количество электроприемников. Энергия, используемая электроприемниками формуле: рассчитывается по Wi Si t раб , (3.3) где Si - мощность электроприемника; t раб - время работы электроприемника. Сделаем расчеты для скважинного насоса. В таблице 2.2 номинальная мощность скважинного насоса является РH = 3 кВт, тогда полная мощность: S p РH Ки / cos 3 0,9 / 0,8 3,375 кВА. (3.4) Сумма полных мощностей всех скважинных насосов будет равна: 42 S p S p n 3,37 3 10,12 кВА. (3.5) Чтобы рассчитать количество потребляемой энергии насоса в течении суток, нам нужно знать сколько часов насос работает в день. С учетом объёмов потребляемого бензина, время работы скважинного насоса в зимние сутки составляет 4 часа, а в летние 5 часов. Энергия, нужная для скважинного насоса в зимние сутки будет составлять: Wi = Si · t раб = 10,1 · 4 = 40,4 кВт·ч. (3.6) Таким же методом, сделаем калькуляцию для остального оборудования. Наименования электроприёмников перечислены в таблице, там же учтено оборудование для АЗС, скважинные насосы записаны в таблице 1.3. Данная таблица отображает перечень электрооборудования и их количество, номинальной мощности, коэффициента мощности, расчетной мощности с учетом коэффициента использования, и используемой ими электроэнергии в сутки. Изменение расхода электроэнергии с уменьшением светового дня учитывается в увеличении длительности часов работы электроприемников. Таблица 3.1 и 3.2 отображает информация летних и зимних суточных графиков нагрузки. № Наименoвание Кол-во Таблица 3.1- Общая нагрузка Установленная мощность Одного ЭП, кВт Сумм., кВт Кол-во часов работы в день Зима cos ф Зима 5 0,5 2,5 24 24 0,7 2 Телевизор 5 0,2 1 5 5 0,9 3 Электрочайник 5 2 10 0,5 0,5 1 4 Лампа 20 0,05 1 8 5 1 3 3 9 4 5 5 0,1 0,5 15 5 5 2 1 10 5 5 1,5 7,5 58 10,35 46,5 Скважинный насос Общее 6 освещение 7 Водонагреватель Утюг 8 9 Электрическаяплита Итого Sp кВА Лето 1 Холодильник 5 Ки Энергопотребление в сутки, кВт·ч 0,2 Лето 0,89 21,4 21,43 1,11 5,56 5,56 2,5 1,25 1,25 0,9 0,9 7,2 4,5 0,8 0,9 10,1 40,5 50,62 10 1 1 0,5 7,5 5 2 0,5 1 0,5 1 1 0,5 0,5 5 2,5 10 1,25 5 1,25 4 3 1 0,7 5,25 21 15,75 28,8 115,6 110,3 43 1 0,2 Таблица 3.2 - Зимний суточный график потребления электроэнергии № ЭП 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Часы 0-1 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 1-2 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 2-3 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 3-4 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 4-5 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 5-6 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 6-7 0 0 0 0,5 0,89 0 0,9 5 0 7-8 0 0 0 0,5 0,89 0 0,9 0 0 8-9 0 0 0 0 0,89 0 0,9 0 5,25 9-10 0 0 0 0 0,89 0 0 0 5,25 10-11 0 0 0 0 0,89 10,1 0 0 0 11-12 0 0 0 0 0,89 10,1 0 0 0 12-13 1,25 1,25 1,1 0 0,89 10,1 0 0 0 13-14 0 0 1,1 0 0,89 10,1 0 0 0 14-15 0 0 0 0 0,89 0 0 5 0 15-16 0 0 0 0 0,89 0 0 0 5,25 16-17 0 0 0 0 0,89 0 0 0 5,25 17-18 0 0 0 0,5 0,89 0 0,9 0 0 18-19 0 0 0 0,5 0,89 0 0,9 0 0 19-20 0 0 1,1 0,5 0,89 0 0,9 0 0 20-21 0 0 1,1 0,5 0,89 0 0,9 0 0 21-22 0 0 1,1 0,5 0,89 0 0,9 0 0 22-23 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 23-24 0 0 0 0,5 0,89 0 0 0 0 Таблица 3.3 - Летний суточный график потребления электроэнергии № ЭП 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Часы 0-1 0 0 0,5 0 0,89 0 0 0 0 1-2 0 0 0,5 0 0,89 0 0 0 0 2-3 0 0 0,5 0 0,89 0 0 0 0 3-4 0 0 0,5 0 0,89 0 0 0 0 44 Итого ∑ кВт 1,39 1,39 1,39 1,39 1,39 1,39 7,29 2,29 7,04 6,14 10,99 10,99 14,59 12,09 5,89 6,14 6,14 2,29 2,29 3,39 3,39 3,39 1,39 1,39 Итого ∑ кВт 1,39 1,39 1,39 1,39 Продолжение таблицы 3.3 4-5 0 0 0,5 5-6 0 0 0,5 6-7 0 0 0 7-8 10,1 0 0 8-9 0 0 0 9-10 0 0 0 10-11 10,1 0 0 11-12 10,1 0 0 12-13 0 0 0 13-14 10,1 0 0 14-15 0 0 0 15-16 0 0 0 16-17 0 0 0 17-18 10,1 0 0 18-19 0 0,9 0 19-20 0 0,9 0 20-21 0 0,9 0,5 21-22 0 0,9 0,5 22-23 0 0,9 0,5 23-24 0 0 0,5 0 0 0 0 0 0 0 0 1,1 1,1 0 0 0 0 0 1,1 1,1 1,1 0 0 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0,89 0 0 0 0 0 0 0 0 1,25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1,25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5,25 5,25 0 0 0 0 0 5,25 0 0 0 0 0 0 0 0 1,39 1,39 0,89 10,99 7,39 6,14 10,99 10,99 3,24 12,09 5,89 6,14 0,89 10,99 1,79 2,89 3,39 3,39 2,29 1,39 Рассматривая значения данные в таблицах 3.2 и 3.3 мы увидем, что максимальная нагрузка происходит на время с 12 до 13 часов в зимний время и будет составляет 14,60 кВт, с 13 до 14 часов в летний время и будет составлять 12,1 кВт. Сумма нагрузки в зимнее время составляет 115,5 кВт, в летнее время 110,5 кВт. Тут мы видим, что снижение нагрузки обусловлено уменьшением времени работы электроприемников. Из данных таблиц 3.1.4 и 3.1.5, мы можем построить суточные графики нагрузки зимний период и летний период. Суточные графики нагрузки для зимнего и летнего времени показаны на рисунках 3.1 и 3.2. На этих графических данных мы можем увидеть выраженные пики в 12ом, 13-ом и 14-ом часах. Такой график с высшими нагрузками в несколько раз превышающие среднее значение нагрузки определяет требования к системе энергоснабжения. Электроснабжение должно иметь максимальную мощность и большую часть времени работать при нагрузке меньшей пиковой. Данный режим можно произвести при наличии аккумуляции энергии в установленной мощности системы близкой к среднему значению нагрузки. 45 4 Энергия ветра и солнца. Калькуляция потенциала ветровой и солнечной энергии района 4.1 Энергия ветра Рисунок 4.1 - Архитектурно - планировочное решение посёлка Населённый пункт открытый энергии ветра и солнца. Обеспечение потребителей экологически чистой электроэнергией от источника, расположенного в центре нагрузки. 44 Рисунок 4.2 - Ветровой атлас Казахстана [18] Рисунок 4.3 - Карта расположения ВЭУ в Казахстане [18] 45 Рисунок 4.4 - Роза ветров Казахстана [22] Ветры на всей территории Казахстана характеризуются высокой турбулентностью и частой сменой направлений, как показано на карте направлений. Необходимо учитывать, что ветер характеризуется непостоянством величины скорости и направления, поэтому возникающие пульсации мощности единичной ВЭУ должны сглаживаться большим количеством агрегатов или накопителями энергии. Для успешного развития ветроэнергетики необходимы «всеядные» ветроагрегаты, перерабатывающие ветер неограниченной скорости и турбулентности. Создание ветроэнергетических агрегатов с вертикальной осью вращения приобрело широкий размах в мире и сопровождается большим количеством разрабатываемых схем. Среди ветроагрегатов с вертикальной осью вращения ротора по международным оценкам Ветровая роторная турбина ВРТБ определена как лучшее аэродинамическое, энергетическое и конструктивное решение, принципиально новая идеология реализации энергии ветра: Концепция ВРТБ разработана специалистами Казахстана и России на основе глубокого изучения ветра как энергоносителя по главным его параметрам – скорость и направление с учетом непрерывности изменений этих параметров во времени – называемых «пульсации», «порывы» и шквалы. Кроме того, она учитывает неоднородность воздушных течений над поверхностью Земли, имея независимо работающие модули турбины, расположенные на разной высоте. Для пропеллерных ВЭС эта особенность ветра преодолевается сооружением мачт высотой 80 – 120 м. Самой главной особенностью этого типа турбины есть её сочетание в себе характеристик работы крыла и паруса. Вертикальная осевая ветровая турбина состоит из внешней неподвижной части, статора, расположенного внутри него вращающегося ротора, ветровоспринимающие поверхности 46 которого, создают активную и реактивную ступени турбины. Направляющий диффузор имеет пластины, одинаково расположенные по его сторонам, ротор имеет лопатки, они равномерно расположенные по его периметру. Рисунок 4.5 – ВРТБ в разрезе [20] 47 Ветровая роторная турбина Болотова (ВРТБ) Конструкция турбины ВРТБ Аэродинамическая схема турбины одновременно открыта для воздушных потоков с любой стороны, обеспечиваает использование энергии входящих и покидающих внутреннее пространство турбины воздушных потоков. Рисунок 4.6 – Турбина [19] Vо V1 V2 Dн D вн V3 V4 Dна Рис.1. Расчетная схема виндроторного модуля Рисунок 4.7 - Аэродинамическая схема турбины ВРТБ [17] 48 Рисунок 4.8 –Вид турбины и сечение её со статором модуля [17] Статор и ротор заданной высоты, скреплённые подшипниками, вместе создают модуль турбины. Диаметр модуля по направлению аппарата и высота формируют площадь ветровоспринимающей поверхности F. F = D · H, м² (4.1) В зависимости от требуемой мощности турбины комплектуются одним, двумя или несколькими модулями. Одновременно может изменяться их диаметр при сохранении аэродинамического и энергетического подобия. Работа турбины ВРТБ Работа турбины не зависит от направления ветра. По отношению к набегающему с любой стороны воздушному потоку турбина имеет две стороны - подветренную – активная ступень турбины и надветренную – реактивная ступень турбины. В статоре турбины на активной стороне воздух сжимается направляющим аппаратом и направляется на лопатки ротора. Действующая на лопатку ротора сила возникает под влиянием давления на вогнутую поверхности, создающего в режиме паруса вращающий момент турбины и обеспечивающий высокий момент трогания ротора. На выпуклой поверхности лопатки возникает подъемная сила, перпендикулярная вектору скорости обтекающего лопатку воздушного потока, двигающая лопатку по окружности. Отсюда следует, что тяга лопатки, вызванная действием ветра, может создаваться как за счет разряжения на ее выпуклой поверхности, так и в результате давления на ее вогнутую поверхность. Указанными обстоятельствами определяется форма лопаток ротора турбины «ВРТБ». В реактивной части ступени турбины тяга на лопатках создается в результате преобразования избыточного давления внутри турбины, в полости ротора за активной ступенью, по отношению к атмосферному. Диффузорная конфигурация межлопаточных пространств между лопатками ротора и между пластинами направляющего аппарата способствуют удалению из турбины отработавшего воздуха и повышению коэффициента использования энергии ветра. Диаметр турбины увеличивается 49 при необходимости получения заданной мощности и корректируется по расчетной скорости ветра в месте предполагаемой ее установки. Из конструктивных соображений высота турбины делится на отдельные «модули» высотой 2-3метра. Установка модулей друг на друга образует высоту турбины в соответствии с конкретными ветровыми условиями для получения необходимой мощности. Высота многомодульных ВЭА равна общей высоте установленных друг на друга модулей, плюс высота основания, где размещается электрогенератор и шкафы с аппаратурой управления его режимами. Коэффициент использования энергии воздушного потока определяет совершенство воздушной турбины и зависит от ряда показателей. Потери энергии в турбомашине состоят из следующих видов: потери перед рабочим колесом – потери входа воздуха через конфузорный направляющий аппарат зависят от конструкционных особенностей турбины. Оптимальные размеры, формы, углы установки и материал пластин направляющего аппарата выбираются по соображениям достижения максимальной формирования потока и минимальных гидравлических потерь на трение об их поверхности. По экспериментальным оценкам потери составляют 2 - 4% от мощности потока; потери в рабочем колесе. Суммарные потери давления в рабочем колесе складываются из потерь на трение воздуха о лопатки в межлопасных каналах, о диски колеса и потерь, связанных со срывами потока на рабочем колесе. (1 - 2%) Потери при диффузорном течении в реактивной части турбины оцениваются выражением: Потери за рабочим колесом. Эта группа потерь включает потери в диффузорной части направляющего аппарата, а также потери в зазоре между вращающимся ротором и неподвижным направляющим аппаратом. В зазоре проходит перетекание некоторой части воздуха из направляющего аппарата в ротор вследствие наличия естественного перепада давления и возникновения постоянной циркуляции отработанного воздуха первой ступени турбомашины перед входом во вторую реактивную ступень. Потери в зазоре уменьшаются при снижении входной скорости воздуха и возрастают при больших ее значениях. Этим определяется более высокий коэффициент использования вертикально осевыми турбинами энергии ветра особенно при его низких скоростях. Величина зазора между ротором и статором нормируется в пределах 1% от наружного диаметра ротора. Переход от одного размера турбомашины к другому возможен на основе теории подобия и экспериментальных данных опытного образца при условии соблюдения подобия моделей. Установка наиболее полно отвечает как современным требованиям с точки зрения конструктивных решений, так и требованиям эргономики и эстетики. 50 Балансирующее фотоэлектрическое устройство БУСБ представляет собой законченное схемотехническое решение, обеспечивающее максимально эффективный способ преобразования солнечной инсоляции в ток зарядки блока аккумуляторных батарей (солнечные модули типа ФСМ / VRTB, собранные по последовательно-параллельной схеме в едином каркасе, универсальный узел крепления, коммутация). Рисунок 4.9 – Зависимость мощности ВРТБ от скорости ветра [23] Рисунок 4.10 - Эскизный чертеж генератора и системы «вал в волу» [9] Ветростанция ВРТБ обладает огромным преимуществом нежели пропеллерные станции: 51 - ВРТБ работает при много векторных ветрах; - может работать при штормовых ветрах; - ротор имеет соединение с генератором, что способствует исключить редуктора; - один генератор может работать на несколько модулей; - неподвижная часть ВРТБ увеличивает в 2, 2,5 раза скорость ротора нежели открытый ротор; - ВРТБ не имеет внешние вращающиеся элементы. Вертикально осевой модуль турбины построен по данных элементов как «парус-крыло», что усиливает наличие направляющего аппарата. На рисунок 3.2 показана высокая чувствительность Ветророторной турбины Болотова к изменению скорости ветра, что означает почти моментальную реакцию к ветреным порывам [21]. Рисунок 4.11 – Характеристика ВРТБ и скорости ветра [21] При исследовании ВРТБ в реальных условиях, мы подтвердили моментальную восприимчивость их на ветренные порывы. Электрические генераторы, входящие в состав вертикально осевых турбин выдают постоянное напряжение при изменяющейся в широких пределах частоте вращения ротора, а развивают мощность, соответствующую скорости ветра. Разработанная система автоматического управления генератором и нагрузкой ветроэлектростанции позволяет получить высокое значение коэффициента использования установленной мощности генератора. Реальная возможность преобразования электроэнергии ветра и накопления ее для последующего использования мы можем произвести с помощью новых типов аккумуляторных батарей с маленьким временем заряда. Реальные, промышленные образцы ВРТБ находящиеся в работе в разных областях Республики Казахстан и России питающие автономные объекты. 52 4.2 Калькуляция ветрового потенциала энергии района Полученные данные по изменению скорости ветра за год, были нам даны из базы данных по ветровому потенциалу Акмолинской области, с официального сайта Комитета по Возобновляемым Источникам Энергии. [6] Измерения в течении года скорости и направления ветра для оценки ветрового потенциала производились в соответствии с международными стандартами. Замеры по значениям скорости ветра и направлению производились в течении года с десятиминутным временным интервалом. Для наших расчетов был произведен спектр анализа данных по изменению скорости ветра в течении года. В базе данных мы можем увидеть данные с интервалом в 15 мин. Чтобы определить ветровой потенциал, нам нужно будет произвести ранжирование данных по скорости ветра в порядке роста и произвести расчет количества часов, в течении которого ветер дул с заданной скоростью за год. Делаем расчет для средней скорости 10,5 м/с. По формуле 2.5 произведём удельную мощность ветра для заданной скорости: P = ½ · 1,223 · 10,5³ =710,2 Вт/м² (4.2) По произведенному анализу данных известно, что с заданной скоростью ветер дул в течении 258 ч. Тогда по формуле 2.4 потенциал ветровой энергии будет равен: W = 710,2 · 258/1000 = 183 кВт · ч/м². (4.3) Произведём такой же расчёт для всех скоростей ветра, которые были указаны в нашем регионе, а результаты расчетов внесём в таблицу 4.1. В таблице показаны данные по скорости ветра, с указанием периода в течении которого сохранялась данная скорость в году, а также представлены расчетные удельные мощности ветрового потока и их потенциальная энергия. 53 Таблица 4.1 - Расчёты ветропотенциала Ерейментауского района Скорость ветра V, м/с 0 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5 20,5 21,5 22,5 23,5 24,5 25,5 Итого Время Т, часов 88 329 563 711 818 801 872 813 622 374 257 187 152 114 78 54 33 22 16 8 5 3 3 3 1 1 Удельная мощность Р, Вт/м² Ветропотенциал W, кВт ч/м² 0 2,11 9,58 26,2 55,95 102,09 168,51 258,74 376,56 527 710,3 933,38 1198,49 1509,84 1870,05 2284,7 2755,84 3287,28 3884,84 4549,75 5285,18 6097,75 6988,05 7961,37 9022,82 10172,09 70036,78 0 0,69 5,45 18,74 45,23 81,3 147,45 210,67 233,94 197,65 184 175,74 182,57 173,95 147,17 126,59 87,92 69,7 58,18 38,93 22,16 21,28 15,47 15,89 21,47 15,38 2295,38 54 На рисунке 4.1 мы можем увидеть долю каждого ветропотока в тесении года. Мощность ветрового потока кВт ч/м2 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 9 20 21 22 23 24 25 26 Скорость ветра, м/с Рисунок 4.1 Согласно рисунку, по данным графика, доминируют ветра со скоростью в диапазоне от 8 до 10 м/с. Завизированная наибольшая скорость ветра достигала 25 м/с. Основываясь по показателям ветрового потенциала Акмолинской области, где аналогично выполнялись измерения направления ветра на протяжение всего года, составим розу ветров района Ерейментау. Роза ветров показана на рисунке 4.2 Рисунок 4.2- Цикличность направлений ветра Ерейментауского района [17] 55 Из представленной гистограммы, мы делаем заключение, что роза направления ветра демонстрирует политропный характер. В общем, основная доля ветров направлена на юго-запада. Исследуя последние данные, мы приходим к заключению, что общий ежегодный потенциал ветровой энергии равен 2295,35 кВт ч/м2. Потенциал в 2 мегаватта на один квадратный метр дает большие основания к внедрению энергетическихветровых установок для переработки энергии ветра в электрическую. На основание всего вышеизложенного, делаем вывод, что данный район имеет весомый потенциал солнечной и ветровой энергии, в силу чего рассмотрим разные виды электроснабжения с применением этих источников энергии. 4.3 Солнечная энергия Солнечная энергия достигает любого места на поверхности планеты и количество энергии, которое посылает Солнцем, действительно огромно. Мощность достигаемой Земли солнечной радиации соответствует географической широтой того или иного района. Климатические особенности района, которые зависят от интенсивности солнечного освещения, существенно влияют на ту или иную степень эффективного использования энергии солнца. Главным аккамулятором солнечной энергии является Солнце - это самая ближняя к Земле звезда, раскалённая плазма которой представляет собой шар радиусом 696 тыс.км. Температура на поверхности Солнца составляет примерно 60000 С, а внутри Солнца она равна 400000000 С. Весит Солнца приблизительно в триста тысяч раз больше Земли. Солнце излучает каждую секунду в космос около 4·1023 кВт, до поверхности Земли достигает приблизительно (0,85-1,2) · 1014 кВт - это равно (7,5-10)·1017 кВт ч/год. Спектр солнечного излучения разделяют на три главные группы: 1) ультрафиолетовое излучение (длины волн до 0,4 мкм) – 7 % интенсивности; 2) видимое излучение (длины волн от 0,4 мкм до 0,7 мкм) – 46 % интенсивности; 3) инфракрасное (тепловое) излучение (длины волн более 0,7 мкм) – 47 % интенсивности[3]. Солнечное излучение измеряется величиной, которая называется интенсивностью. Интенсивность – это есть мощность лучистой энергии, проходящая за границы земной атмосферы в секунду на квадратный метр поверхности Земли, перпендикулярной солнечным лучам. 56 Во время прохождения солнечного излучения сквозь атмосферу Земли параллельно осуществляется три процесса (рисунок 4.3). Определенная часть солнечного излучения отражается обратно в космос (около 34%), которое не зависит от длины волны солнечного излучения. Значительная доля солнечного излучения отражается облаками и самой земной атмосферой. Также происходит поглощение солнечного излучения атмосферой (около 19%), в то время как энергия трансформируется в тепло (инфракрасное излучение), которое излучается обратно в космос. 47% солнечное излучение доходит до поверхности Земли, из них примерно 20% его отражается от земной поверхности и как инфракрасное излучение отражается обратно в космос и лишь только 27% от всего объема солнечного излучения, которое поступает на землю из космоса, трансформируется в энергию, за счет которой происходит испарение и нагрев воды, нагрев воздуха, формирование ветров, волн, течений. В общем, при наличие баланса в процессе достижения и отражения преобразованного солнечного излучения, климат на Земле остается стабильным. Если данный баланс нарушается , то происходит резкая смена климата на Земле [4,15]. Рисунок 4.3 – Распределение энергии солнца [2] Казахстан, являясь крупнейшей центрально-азиатской республикой, обладает громадным потенциалом солнечной энергии. Географическое расположение нашей страны наиболее выгодное для трансформации мощностей солнечной энергии. Как видно на карте солнечной активности Казахстана (рисунок 4.3.2) длительность солнечного сияния в Республике превышает 2000 часов в год. Наша страна имеет годовой потенциал излучения солнечной энергии в 1400-1900 МВт/м2 . Средняя мощность излучения в сутки на территории Республики составляет 600-800 Вт/м2. Необходимо отметить, что уровень потока энергии по всей площади Республики равен один триллион кВт/ч. Общий ежегодный потенциал солнечной энергии на всей площади Казахстана 57 равняется примерно 350 миллиардов тонн условного топлива[4,12]. Республика имеет почти все условия для распространения солнечной энергетики как главного вида нетрадиционной энергетики. Кроме мощного потенциала солнечной энергии, Казахстан имеет крупные месторождения и источники, которые нужны при производстве фотоэлементов – галлия, германия, кадмия, кремния. Рисунок 4.4 - Карта солнечной активности РК [23] На сегодняшний день существует огромная нужда в потребление солнечной энергии для энергоснабжения отдельных городов, населенных пунктов, отдаленных сел и аулов, расположенных в степных районах и ярким примером является рассматриваемый нами объект. Главным вектором получения солнечной энергии является испольхование электричества при помощи фотоэлектрических преобразователей. Фотоэлектрические панели могут быть использованы в ходе получения электричества в незначительных количествах для освещения, телерадиовещания в маленьких сельских фермах и чабанских отгонах, куда не доходят линии электропередач. Согласно исследованиям, проведенным в Е8МАР, использование небольших солнечных фотоэлектрических панелей с батареями для освещения может оказаться даже более 58 экономичным, чем керосиновая лампа. Также, актуальным является применения фотоэлектрических панелей для обеспечения привода небольших электронасосов для подъема воды из колодцев. 4.4 Калькуляция солнечного потенциала энергии района Выполним калькуляцию солнечного потенциала района, где располагается исследуемый поселок. Начальными показателями для калькуляции представлены географические координаты района нахождения нашего объекта, а также значение максимальной солнечной радиации. Как описывалось выше, наш объект расположен в районе поселка Ерейментау. Исходные данные: Географические координаты объекта: 48º55' северной широты; 71º57'- восточной долготы; Значение максимальной солнечной радиации Rhmax - 710 Вт/м2. Произведем расчет длительности дня: По формуле Купера, определим склонение Солнца δ в заданные сутки n: δ = δ0·sin(360·(285+n)/364), (4.4) где δ0 =23°27′=23,45° для северного полушария; n - номер суток с начала года. Для расчета принимаем средний день в январе, т.е. номер суток с начала года будет равен 15. δ = 23,45· sin(360· (284+15)/365) = 23,45· sin294,9 = =23,45· (-0,907)= -21,27°. Далее необходимо определить продолжительность солнечного для исследуемого объекта. Произведем расчет продолжительности солнечного дня в заданные сутки Тс по формуле: Тс = 2/15 · (arccos[-tg · tgδ]), (4.5) где - координаты северной широты объекта; δ – склонение солнца. Тс = 2/15· arccos[-tg49°· tg(-21,27°)= 2/15· arccos[(-1,15 · (-0,39)]= =2/15· 63,35=8,45 ч. 59 Следующим этапом будет расчет изменения мощности потока солнечной радиации. Расчет производим по следующим формулам: Rh = Rhmax · sin (180 · t /Тс ), (4.6) где Rhmax – максимальная солнечная радиация для данной территории; t – порядковый номер часа солнечной активности; Tc – продолжительность солнечного дня. Опираясь на справочные данные, нам известно, что максимальная солнечная радиация Ерейментауского района составляет Rhmax= 700 Вт/м2, тогда: Rh= 710 · sin (180 ·1/8,45) = 710 · sin 21,3 = 710 · 0,36 = 254,3 Вт/м2. Произведем расчет потока солнечной радиации в течении суток для среднего дня января, и результаты расчетов сведем в таблицу 4.2. Таблица 4.2 – Калькуляуия солнечной радиации в течении суток Вр.мест tгр ta,ч t’,ч Rh, Вт/м2 1 1 0 0,00 2 2 0 0,00 3 3 0 0,00 4 4 0 0,00 5 5 0 0,00 6 6 0 0,00 7 7 0 0,00 8 8,77 0 0,00 9 9,77 1 254,30 10 10,77 2 473,85 11 11,77 3 628,65 12 12,77 4 697,55 13 13,77 5 671,14 14 14,77 6 553,03 15 15,77 7 359,35 16 16,77 8 116,57 17 17,77 8,45 0,00 18 18 0 0,00 19 19 0 0,00 20 20 0 0,00 21 21 0 0,00 22 22 0 0,00 23 23 0 0,00 24 24 0 0,00 60 По вышеприведённым данным мы видим, что самое большое значение мощности потока солнечной радиации наступает в полдень. Общий ежедневный поток радиации равен 3755,89 Вт/м2. Вычисляем ежегодный солнечный потенциал энергии. Для этого надо выполнить такую же калькуляцию для каждого среднего дня месяца. Данные калькуляции покажем в таблице 4.2 61 Таблица 4.2 - Годовой расчет солнечного потенциала 61 Месяце Январе Феврале Мaрт Апреле Мaй Июне Июле Aвгуст Сентябре Октябре Ноябре Декабре Номере 16 46 75 106 136 167 197 228 259 289 318 348 Дней 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31 Тс 8,46 9,85 11,58 13,48 15,08 15,97 15,61 14,18 12,35 10,51 8,88 8,04 1 254,22 219,67 187,78 161,84 144,86 136,89 140,06 153,77 176,28 206,26 243,02 266,85 2 473,72 417,15 361,82 314,88 283,44 268,48 274,45 300,02 341,22 394,18 455,81 493,39 3 628,54 572,48 509,32 450,88 409,75 389,71 397,74 431,62 484,15 547,14 611,89 645,43 4 697,53 669,97 619,48 562,47 518,32 495,89 504,93 542,13 595,87 651,48 691,87 699,89 5 671,28 699,79 684,22 643,57 604,46 582,93 591,72 626,16 669,18 698,02 685,79 648,86 6 553,37 658,91 698,78 689,78 664,43 647,46 654,59 679,61 699,35 682,54 594,41 499,74 7 359,88 551,46 662,15 698,65 695,64 686,99 690,96 699,86 684,44 606,52 429,09 275,15 8 117,27 388,28 576,96 669,64 696,74 700,01 699,43 685,93 625,42 476,62 210,39 185,92 449,47 604,38 667,68 685,97 679,57 638,47 526,08 304,38 289,02 506,36 609,72 645,49 632,26 559,87 392,83 11 380,88 525,37 580,07 559,37 453,88 234,25 12 234,81 418,28 492,25 463,87 325,74 293,08 385,43 349,62 9 10 13 14 263,73 Итого (день) кВт/м2 3,756 4,364 5,039 5,917 6,532 6,962 6,637 6,097 5,429 4,568 3,923 3,528 Итого (месяц) кВт/м2 116,430 122,178 156,208 177,6 202,49 208,836 205, 795 189,007 162,868 141,581 117,666 109,408 На базе полученных результатов таблицы 4.2, построим график изменения потока мощности солнечной радиации в течении года, по месяцам (рисунок 4.4.1). 62 Рисунок 4.4.1 – Годовые показатели потока мощности солнечной радиации Изучая данные, приходим к выводу, что наибольший поток солнечной энергии проходит в летние месяцы, в то время как активность солнца самая интенсивная. Общий ежегодный солнечный потенциал в нашей местности равен 1,8 МВт ч/м2. Этот потенциал очень большой, поэтому использование солнечной энергии является достаточно обдуманным решением. 63 5 Выработка энергии с помощью КЭС ВРТБ 5.1 Выработка энергии в течение зимнего дня По полученным результатам ветрового и солнечного потенциала рассчитаем количество электрической энергии, которое будет вырабатывать выбранная нами КЭС ВРТБ. Выполним калькуляцию для обычного зимнего дня. Используя данные по ветровому потенциалу Карагандинской области [6], рассчитаем среднюю скорость ветра за каждый час зимнего дня. Для того, чтобы подсчитать мощности вырабатываемой фотоэлектрическими модулями, используем рассчитанные потоки солнечной радиации. Располагая значениями ежечасных изменений ветра в сутки, воспользовавшись характеристикой зависимости мощности ВРТБ от скорости ветра, подсчитаем количество вырабатываемой энергии при использовании ветровой установки и фотоэлектрических панелей. Выполним калькуляцию для одной установки ВРТБ мощностью 10 кВт. Мощность, вырабатываемая ветровым модулем подсчитывается так: Р ВРТБ ½ ρ V³ t F η, (5.1) где – плотность воздуха, 1,223 кг/м3; V – ветровая скорость; t – время, в течении которого ветер дул со скоростью V; F – площадь ветровоспринимающей поверхности; η – КПД КЭС ВРТБ. Калькуляция выработки электроэнергии КЭС ВРТБ за первый час дня: Р ВРТБ = ½ ³ кВт. (5.2) В комплектации КЭС ВРТБ есть 24 фотоэлектрических модуля. Калькуляция мощности вырабатываемой фотоэлектрическими модулями выполняем так: WФЭП = Rh SФЭП ηкВт где Rh - поток солнечной радиации; SФЭП – S фотоэлектрического модуля; η - коэффициент полезного действия; – количество фотоэлектрических модулей. 64 (5.3) Выполним расчет для первого часа солнечной активности: WФЭП = 254,21 кВт. В итоге, общая мощность вырабатываемая КЭС будет равна: WКЭС = WВРТБ + WФЭПкВт (5.3) Произведем калькуляцию для выбранного дня, и результаты подсчетов введем в таблицу. Таблица 5.2 – Выработка электроэнергии КЭС ВРТБ в зимние дни Скорость Поток Мощность Суммарная Мощность ветра радиации ФЭП, WФЭП Мощность, Время ВРТБ WВРТБ WКЭС 0-1 12,84 0 7,24 0 7,24 1-2 12,2 0 6,08 0 6,08 2-3 10,3 0 3,64 0 3,64 3-4 9,27 0 2,74 0 2,73 4-5 9,83 0 3,25 0 3,25 5-6 9,66 0 3,09 0 3,07 6-7 8,4 0 1,97 0 1,97 7-8 6,73 0 1,05 0 1,05 8-9 6,66 254,22 1,02 1,58 2,62 9-10 4,23 473,72 0,27 2,98 3,24 10-11 3,27 628,53 0,13 3,8 4,08 11-12 3,57 697,53 0,16 3,39 3,55 12-13 4,33 671,28 0,29 3,3 3,48 13-14 3,33 553,37 0,14 3,5 3,61 14-15 4,66 359,88 0,35 2,3 2,61 15-16 4,13 117,29 0,25 0,8 0,98 16-17 4,78 0,77 0,39 0 0,39 17-18 5,27 0 0,52 0 0,51 18-19 7,36 0 1,37 0 1,37 19-20 7,84 0 1,65 0 1,65 20-21 7,43 0 1,41 0 1,41 21-22 10,3 0 3,64 0 3,64 22-23 10,66 0 4,15 0 4,15 23-24 12,56 0 6,78 0 6,78 Итого 72,7 65 По результатам полученных данных выстроим график выработки в зимние дни. График показан на рисунке 5.1 16,00 14,00 Мощность, кВА 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Время суток, ч Wвртб W панелей Рисунок 5.1 – График выработки электроэнергии в зимнее время По вышеприведенным данным, при использовании одной КЭС ВРТБ мощностью 10 кВт выработка электрической энергии равна 72,7 кВт∙ч, а общее потребление в сутки равна 115,46 кВт ч. 5.2 Выработка энергии в течение летнего дня Выработка электроэнергии КЭС ВРТБ в летнее время будет отличаться от выработки в зимний период. Это происходит из-за снижения средней скорости ветра в летнее время, а значит и уменьшается выработка ветроустановки. Учитывая, что в летнее время поток солнечной радиации намного выше, используемые фотоэлектрические панели будут компенсировать уменьшение выработки. Рассчитаем количество энергии выбранной КЭС ВРТБ в летнее время дня. Для калькуляции используем данные по ветровому потенциалу Карагандинской области, который приводился ранее. Для калькуляции возьмем изменения скорости ветра в обычный летний день. По формулам 5.1, 5.2, 5.3 произведем калькуляцию и результаты покажем в таблице. 66 23-24 22-23 21-22 20-21 19-20 18-19 17-18 16-17 15-16 14-15 13-14 12-13 11-12 10-11 9-10 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1 0,00 Таблица 5.3 – Выработка электроэнергии КЭС ВРТБ в летние дни Скорость Поток Мощность Суммарная Мощность ветра радиации ФЭП, WФЭП мощность, Время ВРТБ WВРТБ WКЭС 0-1 10,6 0 3,97 0 3,97 1-2 9,7 0 3,23 0 3,23 2-3 6,8 0 1,13 0 1,13 3-4 7,8 0 1,67 0 1,68 4-5 7,8 0 1,67 0 1,68 5-6 8,4 0 1,96 0 1,97 6-7 5,7 136,879 1,51 0,65 2,18 7-8 6,8 268,472 1,04 1,36 2,37 8-9 6,7 389,698 0,99 1,96 2,95 9-10 4,8 495,882 1,13 2,49 3,63 10-11 5,3 582,919 0,47 2,93 3,42 11-12 4,4 647,46 0,28 3,26 3,54 12-13 4,5 686,985 0,82 3,46 4,28 13-14 5,5 699,996 0,88 3,52 4,43 14-15 5,9 685,982 0,67 3,45 4,09 15-16 5,4 645,482 0,52 3,25 3,76 16-17 7,8 580,062 1,63 2,92 4,55 17-18 7,3 492,246 1,23 2,48 3,71 18-19 7,7 385,425 1,504 1,99 3,45 19-20 7,3 263,724 1,28 1,33 2,61 20-21 8,06 131,85 1,79 0 1,78 21-22 8,03 0,37717 1,77 0 1,78 22-23 9,6 0 2,94 0 2,95 23-24 10,4 0 3,75 0 3,75 Итого 72,8 67 9 8 Мощность, кВА 7 6 5 4 3 2 1 0 Время суток, ч Wвртб W панелей Рисунок 5.2 - График летней выработки электроэнергии По рассчитанным данным, выработка электроэнергии в летнее время равна 72,9 кВт ч. и она значительно меньше, по сравнению с зимним временем. В результате, для калькуляции нужного количества КЭС ВРТБ для покрытия суточных графиков возьмем выработку электроэнергии в летнее время года. Согласно суточному графику нагрузки летнего дня, суточное потребление электроэнергии равно 110,1 кВА. N = Wпотр / WВРТБ = 110,1/72,8 = 2 Округлив до ближайшего целого значения, мы получаем, что к установке надо принять 2 КЭС ВРТБ мощностью 10 кВт. Для калькуляции покрытия ежедневного графика вырабатываемой энергии двух установок, наложим ежедневные графики потребления с графиком выработки электроэнергии двумя КЭС ВРТБ в зимнее и летнее время. Полученные данные приведены на рисунках 4.10 и 4.11 При исследование графических показателей наглядно видно, что вырабатываемая КЭС ВРТБ энергия не постоянно покрывает суточную необходимость в электроэнергии. В пиковые часы, когда потребление наиболее максимально, мы видим недостаток энергии. Данный недостаток должны покрывать аккумуляторные батареи, которые резервируют электроэнергию в моменты, когда потребление минимально. 68 16 14 12 10 8 6 4 2 0 ∑ потребление, кВт Выработка ВРТБ Рисунок 5.3 – График потребления и выработки в зимнее время 14 Мощность, кВт 12 10 8 6 4 2 0 ∑ потребление, кВт Время суток, ч Выработка КЭС ВРТБ Рисунок 5.4 – График потребления и выработки в летнее время 69 6 Подбор аккумуляторных батарей Решение выбора аккумуляторных батарей для системы автономного электроснабжения является непростой задачей. Режим работы систем автономного электроснабжения диктует основное требование к аккумуляторным батареям, а в частности они должны выдерживать глубокий разряд. Нежелательно использовать обычные автомобильные аккумуляторы. Эти аккумуляторные батареи не рассчитаны на работу в циклических режимах, характеризующихся длительным периодам заряда-разряда. Обычно, любые традиционные аккумуляторы, даже так называемые «необслуживаемые», во время своей работе выделяют вредные газы и являются не экологичными. Самым правильным вариантом для систем автономного и резервного электроснабжения можно считать использование специализированных аккумуляторных батарей, которые рассчитаны на циклические режимы работы и регулярный глубокий разряд. Вполне можно применять аккумуляторные батареи как с жидким электролитом, так и герметичные, гелиевые. Цена специализированных аккумуляторных батарей, намного выше обычных, но при правильном проектировании системы, гарантируют надежное электроснабжение. Энергетической базой современных систем автономного электроснабжения можно считать специализированные необслуживаемые батареи большой емкости, выполненные по технологии AGM (стекловолоконные) или GEL (гелевые) технологии. В гелевых аккумуляторах в качестве сепаратора между свинцовыми пластинами применяется силикагель, которым заливается пространство между пластинами в процессе производства. В составе электролита присутствует двуокись кремния, которая превращает кислоты в гелеобразную массу. За счет гелеобразной массы, газы выделяющиеся при заряде аккумуляторных батарей удерживаются в электролите. Гелевые батареи выдерживают намного больше циклов заряда-разряда (рисунок 6.1), лучше восстанавливаются после глубокого разряда, чем AGM, причем даже в том случае, когда к процессу заряда не приступили сразу же после разрядки батарей. Также GEL-батареи нормально переносят недозаряд — то есть ситуацию повторного отключения электроснабжения, когда АКБ еще не успели полностью зарядиться. Кроме того, так как электролит находится в густом состоянии, он менее подвержен расслоению на воду и кислоту, поэтому гелевые аккумуляторы лучше переносят плохие параметры тока подзаряда. Основными преимуществами GEL-аккумуляторов являются: - выдерживают больше циклов заряда-разряда; - полностью восстанавливают емкость после глубокого разряда; - менее чувствительны к «плохому» заряду от нестабильной сети; 70 - выдерживают разряд из недозаряженного состояния без потери емкости (повторное отключение сети, когда аккумуляторы еще не зарядились) ; - могут работать в циклическом режиме; - лучше переносят работу и в холоде, и при высокой температуре; - практически исключены тепловые пробои между пластинами Рисунок 6.1 - Количество циклов разряда-заряда аккумуляторных батарей разных технологий Таким образом, примем к установке аккумуляторы challenger G12-260 с технологией GEL. На рисунке 6.2 представлен внешний вид аккумуляторной батареи. Challenger G12-260 герметизированная необслуживаемая аккумуляторная батарея, тип GEL. Серия G12 разработана для использования в источниках бесперебойного питания, системах безопасности, медицине, системах связи, в альтернативной энергетике (солнечные панели, ветрогенераторы, установки бесперебойного питания) и т.д. [8] 71 Рисунок 6.2 – Аккумуляторная батрея Challenger G12-260 В таблицах 3.4 и 3.5 представлены основные технические и электрические характеристики выбранных аккумуляторных батарей. Таблица 6.1 - Технические данные Challenger G12-260 Модель Ёмкость, Ач Габариты, мм C10, 1,80 В/эл G12-260 238 Д Ш В Вес, кг 520 269 224 74 C20, 1,75 В/Эл 257 Таблица 6.2 - Основные электрические характеристики Вольтаж 12 В Ток разряда, макс., А 2600 (5 сек) Внутреннее сопротивление 5 мОм Ток короткого замыкания 4460,0А Диапазон рабочих температур Разряд: -40…+60С заряда: -20…+50С Хранения: -40…+50С Напряжение заряда (беф.режим) 13,6-13,8 В (25С) Макс. Ток заряда 52,0A Уравнительный заряд и режим 14,2-14,4 В (25С) циклирования Саморазряд < 3% / мес.. Терминалы F14 Корпус ABS (UL94-HB). Доступно в корпусе UL94-HB (V0) (по запросу) Положительный электрод Решетчатая пластина, диоксид свинца Отрицательный электрод решетчатая пластина из свинцовокальциево-оловянистого сплава Свинец 99,998% чистоты 72 Срок службы 12 лет Согласно таблице 6.3, выбранные аккумуляторные батареи способны работать в условиях низких температур, что немало важно для рассматриваемого региона. Так же аккумуляторные батареи обладают длительным сроком службы. Данные батареи могут эксплуатироваться с глубоким циклом разряда (до 80%), также батареи способны восстанавливаться после глубокого разряда. 73 6.1 Калькуляция количества аккумуляторных батарей К установке примем аккумуляторные батареи Challenger G12-260, рассмотренные ранее в п. 6.2. Для расчёта количества требуемых к установке аккумуляторных батарей, используем данные суточного графика зимнего потребления электроэнергии, так как большее потребление энергии приходится в зимний период. Произведём анализ выработки электроэнергии комплексной энергетической системы и потребления электроэнергии в сутки. Анализ необходим для определения нужного количества электроэнергии, которые должны будут выдавать аккумуляторные батареи. Сопоставим потребление с выработкой электрической энергии, в случае превышения значения потребления с выработкой, дефицит будет составлять разница значений. Результаты расчетов сведем в таблицу 6.4 Таблица 6.4 – Дефицит электрической энергии в сутки Время суток, ч Потребление, Выработка КЭС, кВт ч кВт ч 0-1 1,39 14,46 1-2 1,39 12,13 2-3 1,39 7,27 3-4 1,39 5,44 4-5 1,39 6,49 5-6 1,39 6,15 6-7 7,29 3,92 7-8 2,29 2,08 8-9 7,04 3,61 9-10 6,14 3,49 10-11 10,99 4,19 11-12 10,99 3,69 12-13 14,59 3,77 13-14 12,09 3,73 14-15 5,89 2,95 15-16 6,14 1,22 16-17 6,14 0,75 17-18 2,29 1,00 18-19 2,29 2,72 19-20 3,39 3,29 20-21 3,39 2,81 21-22 3,39 7,27 22-23 1,39 8,27 23-24 1,39 13,54 Итого 74 Дефицит, кВт ч 3,37 0,21 3,43 2,65 6,80 7,30 10,82 8,36 2,94 4,92 5,39 1,29 0,10 0,58 57,46 Из полученных данных видно, что недостаток энергии приходится в основном на пиковые моменты потребления. Именно в эти моменты аккумуляторные батареи должны выдавать недостающую энергию, накопленную ранее. Таким образом, в аккумуляторных батареях необходимо зарезервировать 57,46 кВт ч. Выбранные аккумуляторные батареи рассчитаны на глубину разряда в 80%, но подобный разряд значительно сокращает цикл жизни аккумуляторной батареи. Поэтому будем считать коэффициент отдачи батареи равным 1,5. Wполн · 1,5 · 1000 Вт·ч. (6.1) Далее разделим значение требуемой энергии в течении суток на напряжение аккумуляторных батарей, получится число Ампер-часов, которое необходимо для покрытия нагрузки переменного тока. Сполн А·ч (6.2) Определим количество аккумуляторных батарей: N = 7182,5/257 = 28 шт. (6.3) Теперь необходимо рассчитать количество, напряжение, способ включения и тип аккумуляторов. При этом надо учитывать, что при параллельном включении аккумуляторов в цепь суммируется емкость (А/ч), а при последовательном напряжение (В). 75 Заключение В данном диссертационном проекте был рассмотрен вариант электроснабжения населённого пункта, находящегося в городе Ерейментау Акмолинской области, с использованием ветровой и солнечной энергии. В данной работе был выполнена калькуляция нагрузки приведенного объекта, и рассчитаны ежедневные графики нагрузок. Затем, подсчитанные потенциалы солнечной и ветровой энергии района, наглядно продемонстрировали необходимость использования этих источников энергии для преобразования в электрическую энергию. Таким образом, для увеличения надежности автономных объектов при питании от альтернативных источников энергии нужно использовать комплексную работу солнечных преобразователей и ветрогенераторов. Исследование основных видов ветрогенераторов, выполненный в работе показал, что для ветров Республики Казахстан, характеризующихся многовекторной розой ветров, наиболее актуально использование ветрогенераторов с вертикальной осью вращения. Следовательно, для электроснабжения выбранного объекта, самым эффективным способом электроснабжения является комплексная энергетическая система ВРТБ. Эта система полностью автономна. Энергия, вырабатываемая вертикально-осевым ветрогенератором, а также солнечными фотоэлектрическими модулями расположенными в комплексной системе расходуется на электроснабжение потребителей и зарядку аккумуляторных батарей, обеспечиваемые резервным питание. Таким образом, мы делаем вывод, что комплексное использование возобновляемых источников энергии является самым эффективным и перспективным решением проблемы электроснабжения удаленных сельских районов. 76 Список литературы 1. Будзко И.А., Гессен В.Ю., Левин М. С. Электроснабжение сельскохозяйственных предприятий и населенных пунктов. – М.: «Колос»,1975. 2. Лукутин Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии. Учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. 3. Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие.. Томск: Изд-во Томского политехнического университета,2009. 4. Болотов А.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии: Учебное пособие АУЭС. Алматы, 2011.-79с. 5. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К., Солнечная энергетика: Учебное пособие для вузов. Под ред. В.И.Виссарионова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 6. Ветроэнергетика в Казахстане (архив проекта ПРООН/ГЕФ). База данных по ветропотенциалу. http://www.windenergy.kz 7. Интернет сайт ТОО «Astana Solar» http://www.astanasolar.kz 8. Интернет ресурс: http://www.realsolar.ru 9. Интернет сайт ТОО «ЭкоЭнергоМаш» http://www.wrtb.kz 10. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. – Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, М.:1949.-544 с. 11. Кривцов В.С., Олейников А.М., Яковлев А.И. Неисчерпаемая энергия. – Харьков «ХАИ», 2003. 12. Матвеев В., Возобновляемые источники энергии. Энергия солнца, биомассы, ветра, воды: Энергетические технологии и установки. Алматы: Бастау, 2009.- 104с. 13. Алхасов, А.Б. Возобновляемые источники энергии: учебное пособие М.: МЭИ, 2011.- 272с. 14. Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учеб.изд. / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин.- М.: РадиоСофт, 2008.228с. 15. А.В.Болотов, К.А.Бакенов. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Конспект лекций для студ.всех форм обучения. Алматы: АИЭС, 2007.- 39с. 16. Сибикин Ю.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник для проф. Учебных заведений. М.: Высшая школа,2001. 17. Болотов А. В. – академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш». Журнал «Вестник национальной инженерной академии Республики Казахстан» issh 1606 – 146x. Статья: «Перспективы и сценарии развития энергетики до 2050 года. Распределённая генерация энергии из неисчерпаемых энергетических ресурсов – вектор развития энергетики будущего». 77 18. Болотов А. В. - академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш», д. т. н., профессор АУЭС. Журнал «Вестник энергетика союза инженеров – энергетиков Республики Казахстан» Ноябрь 2012 № 4(43). Статья: «Ветроэнергетика автономная», системная, масштабы, инновации. 19. Болотов А.В.– академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш», профессор АУЭС. Журнал «Вестник энергетика союза инженеров – энергетиков Республики Казахстан» Ноябрь 2014 № 4(51). 20. Журнал «Вестник энергетика союза инженеров – энергетиков Республики Казахстан» Ноябрь 2014 № 4(51). А. В. Болотов – академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш», профессор АУЭС. 21. Болотов А. В. – академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш», профессор АУЭС. Журнал «Вестник национальной инженерной академии Республики Казахстан» ISSN 1606 – 146x, № 2(52) 2014. Статья: «Энергосбережения: стратегия тактика и технологии». 22. Болотов А. В.– академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш», профессор АУЭС. Журнал «Вестник энергетика союза инженеров – энергетиков Республики Казахстан» Август 2012 № 3(42). Статья: «Одним из приоритетных направлений развития электроэнергетики и решения экологических проблем Казахстана является использование возобновляемых энергетических ресурсов». 23. Болотов А. В. – академик, ген. Директор ТОО «Энергомаш», профессор АУЭС. Журнал «Вестник национальной инженерной академии Республики Казахстан» ISSN 1606 – 146x, №1(55) 2015. Статья: «Перспективы развития энергетики до 2050 года. Распределённая генерация энергии из неисчерпаемых энергетических ресурсов – вектор развития энергетики будущего». 78