Анализ потенциала ветряной энергии в условиях Ташкентской области

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются аспекты использования первой опытной ветроэнергетической установки мощностью 0,75 МВт в регионе Ташкентской области. Представлены результаты годичного мониторинга выработки электроэнергии ветроэнергетической установки по месяцам за 2017-2018 гг. По данным мониторинга величина выработки электроэнергии установкой за период (10.2017-10.2018) составило 921,1МВтч.

ABSTRACT

The issues of assessing the potential and possible use of wind energy in Uzbekistan were considered. As well, aspects of using the first experimental wind turbine with a capacity of 0.75 MW in the Tashkent region of Uzbekistan are considered. The results of a one-year monitoring of wind turbine power generation by months for 2017-2018 are presented. According to the monitoring data, the amount of electricity generation by the installation for the period (10.2017-10.2018) was 921.1 MWh.

Ключевые слова: ветроэнергетические установки, сетевые ВЭУ, метеорологическая мачта, воздушный поток, дистанционная система мониторинга, ветровая турбина, ротор, генератор.

Keywords: wind turbines, networked wind turbines, meteorological mast, air flow, remote monitoring system, wind turbine, rotor, generator.

Известно, в будущем характерной чертой развития современной энергетики является широкое вовлечение в энергобаланс страны возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В ряде стран и регионов доля электроэнергии среди ВИЭ, генерируемой ветровыми станциями, составляет реальную конкуренцию традиционной энергетики [1]. Оценка глобального потенциала ветровой энергии на поверхности Земли составляет около 1200 ТВт. Ветроэнергетика присутствует сегодня в более чем 79 странах, из которых 24 страны имеют более 1 ГВт установленной ветроэнергетической мощности. В Дании за счет энергии ветра производится 20% электроэнергии, в Испании этот показатель достиг 8%, в Голландии и Северных землях Германии 10%. Приводимые цифры показывают, что ветроэнергетика уже сегодня вносит значительный вклад в энергетический баланс ряда стран. Ожидается, что к 2020 г. доля вырабатываемой энергии только ВЭУ составит 15% от вырабатываемой электроэнергии, что составляет половину от общего прогноза использования альтернативных источников [2].

Для использования основных энергоресурсов ВИЭ в крупных промышленных масштабах в Узбекистане является солнечная, гидравлическая и энергия ветра. Локальное использование их на автономных энергоустановках (малонаселенных горных и сельских пунктах, удаленные мелкие потребители и т.д.) не рассматриваются в виду их малой доли в балансе электроэнергии в республике.

По условию их эффективности в качестве электрических станций, присоединяемые к электрической сети территориальных отделений ГАК «Узбекэнерго» и объему наличия для условий и климата Узбекистана, указанные выше ВИЭ по выработке электроэнергии расположены в указанном убывающем порядке.

Внедрение ВИЭ один из важнейших приоритетов перехода экономики республики Узбекистан на инновационные рельсы и экологически чистые технологии. Актуальность данного направления еще раз была подчеркнута в Указе Президента Узбекистана Ш.М. Мирзиёева от 26 мая 2017 года №ПП-30-12 «О программе мер по дальнейшему развитию возобновляемой энергетики, повышению энергоэффективности в отраслях экономики и социальной сфере на 2017-2021 годы». Указ направлен на проведение научно-практических исследований и разработок программы мер по дальнейшему развитию возобновляемой энергетики, а также на практическое использование энергии ветра с учетом климатических особенностей регионов Узбекистана. В программе реализации Указа предназначены увеличение генерируемых мощностей ВИЭ до 2021 г. 1003,9 МВт, из них мощности гидроэнергетики на 601,9 МВт, солнечной энергетики на 300,0 МВт, ветровой энергетики на 102,0 МВт.

Основным сдерживающим фактором для широкого внедрения ветровой энергетики в Узбекистане является отсутствие стимулирующих мер для населения и промышленных потребителей, характерных для Германии, Голландии, Дании, США и Китая и, как следствие, высокие капитальные вложения, полностью ложащиеся на плечи потребителя. Другой существенной проблемой является отсутствие до сегодняшнего дня предприятий по выпуску ветровых генераторов различной мощности и комплектующих оборудований на основе самых современных технологий.

Поэтому инвесторы в тендерных проектах ветровых электростанций (ВЭС) ориентируются на использование дорогих импортных ветротурбин. Это повышает себестоимость электроэнергии и сдерживает развитие ветровой энергетики. Необходимыми решениями снижения ВЭС являются производство ветроагрегатов в республике с использованием местного сырья.

В работах [3-5] изучены процессы формирования ветровых потоков над территорией Узбекистана и их особенности, обусловленные орографическими параметрами территории и синоптическими процессам, протекающими в атмосфере, влияющие на характеристики ветровых потоков. При проектировании ВЭУ необходимо определить ветровой потенциал местности, где планируется строительство.

Ветряные электростанции (ВЭС) строят в местах, где скорость ветра составляет выше 4,5 м/с. В настоящее время разных регионах Узбекистана действует шесть современных метеорологических станций для изучения солнечного и ветрового кадастра. Одна из них приведена на рис.1.

Рисунок 1. Современная метеостанция установленная в Паркентском регионе Ташкентской области

В метеорологии для измерения скорости ветра применяется анемометры. По принципу действия различают механические анемометры, в которых движение газа приводит во вращение чашечное колесо или крыльчатку, тепловые анемометры, принцип действия которых основан на измерении снижения температуры нагретого тела (обычно накаливаемой проволоки), а работа ультразвуковых анемометров основана на измерении скорости звука в протекающем газе в зависимости от его скорости.

Чашечный анемометр является наиболее распространённым типом анемометров, который устанавливаются на стандартной высоте – 10 м (см. рис.1) для измерения скорости ветра. Как правило, головки малых ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50 м. Для определения скорости uz (на высоте z м) на этих высотах часто используют аппроксимационную формулу (1), в которую входит значение стандартной скорости ветра us, измеренное на высоте 10 м, а именно [6]:

                                                                                    (1)

где, v_z – средняя скорость ветра на произвольной высоте z, v_s – скорость ветра на стандартной высоте.

Для открытых мест параметр b=1/7=0,14. Чем меньше значение параметра b, тем меньше будут различаться нагрузки, испытываемые лопастью ветроколеса в нижнем и верхнем положениях. Как известно, ветер является векторной величиной, которая наряду с средним значением скорости, характеризуется ещё мгновенным значением – порывом. На рис. 2 и рис. 3 приведены результаты экспериментальных измерений порыва и средней скорости ветра, на Паркентской метеостанции MHP MS4-12-1. Они показывают статистический характер изменения этих параметров в течение месяца, что следует учесть при разработке возобновляемых источников энергии.

Рисунок 2. Порыв и почасовые усредненные значения скорости ветра, измеренные Паркентской метеостанцией MHP MS4-12-1 в июне месяце 2013 года.

Рисунок 3.  Направления ветра, измеренные Паркентской метеостанцией MHP MS4-12-1 в июне месяце 2013 года(wind direction – направление ветра относительно севера, wind direction StDev - стандартное отклонение изменения направления ветра в пределах интервала измерения в градусах).

В 2010 году для изучения метеорологических условий на выбранной площадке в поселке Юбилейный Бостанлыкского района, была установлена метеорологическая мачта высотой 52 м. Анемометрические приборы в течение 1,5 года, круглосуточно с интервалом в 10 минут записывали метеорологические данные, которые в дальнейшем в Германии прошли обработку по специальной программе. В результате проведенных исследований была построена опытная ветровая энергоустановка мощностью 750 кВт в поселке Юбилейный Бостанлыкского района Ташкентской области (рис.4).

По результатам полученных данных был разработан проект, сформулированы технические требования на оборудование и осуществлено строительство опытной ВЭУ. Вырабатываемая электрическая энергия ВЭУ, будет поступать в единую энергетическую сеть.

Рисунок 4. Общий вид ВЭУ 0,75 МВт в Ташкентской области

Для прогнозирования выработки электроэнергии сетевой или автономной ветровой электростанции необходимы оценки экономической целесообразности и эффективности ВЭС. Основой для подобных оценок  служат результаты многолетного мониторинга полученных данных.

Рисунок 5. Показатели выработки электроэнергии ВЭУ мощностью 0,75 МВт (кВт·час за месяцы)

Данные о выработке электроэнергии ВЭУ, соединенной с центральной сетью, фиксируются дистанционной системой мониторинга. Результаты мониторинга с октября 2017 г., по октябрь 2018 г. приведены на рис. 5.

Как видно из рис.5, с сохранением постоянства скорости воздушного потока, увеличивается и выработка количества электроэнергии. Вместе с тем анализ показывает, что меньшая выработка электроэнергии ВЭУ объсняется, следующим образом, если скорость ветра меньше 4 м/с ВЭУ не будет генерировать электроэнергии. При скорости ветра 14-15 м/с ВЭУ генерирует 750 кВт номинальной мощности. Следует отметить, что для получения более полного представления о работе станции необходимо выполнить по крайней мере годичный мониторинг ее работы. 

Установка на поселке Юбилейная, Бостанлыкского района Ташкентской области является первой экспериментальной установкой для проведения исследований и мониторинга показателей ВЭУ, полученные результаты которой будут учитывать при проектировании и строительстве ВЭС в Узбекистане.

Список литературы:
1. Кривцов В.С., Олейников А.М. и др. Неисчерпаемая энергия. Кн.1. Ветроэлектрогенераторы// Учебник. Харьков:Нац. Аэрокос. Ун.-т, «Харьков авиац. Инст.», Севастополь: Севаст. Нац. техн. унив., 2003.-400 с.
2. Кривцов В.С., Олейников А.М. и др. Неисчерпаемая энергия. Кн.2. Ветроэлектрогенераторы// Учебник. Харьков:Нац. Аэрокос. Ун.-т, «Харьков авиац. Инст.», Севастополь: Севаст. Нац. техн. унив., 2004.-519 с.
3. Дерзкий В.Г. Аналитический прогноз развития мировой ветроэнергетики /Дерзкий В.Г. //Энергетика и электрификация – 2010. -№1. – С.53-56
4. Таджиев У.А., Киселева Е. И., Таджиев М.У., Захидов Р.А. Особенности формирования ветровых потоков над территорией Узбекистана и возможности их использования для выработки электроэнергии. Часть I.// Гелиотехника. 2014. № 3. С. 46-52.
5. Захидов Р.А., Кремков В.М Потенциал ветровой энегетики Узбекистана// Гелиотехника. 2015. № 4. С. 106-107.
6. Заварина М.В. Расчетные скорости ветра на высотах нижнего слоя атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1971. – 162 с.