Technical and economic analysis of the efficiency of a low-power wind farm in the climatic conditions of the center of the European part of Russia

Full Text

Введение Традиционная энергетика базируется на использовании углеводородного топлива - угля, природного газа, нефти. Одним из компонентов продуктов сгорания углеводородных топлив является углекислый газ, относящийся к категории парниковых. Суммарный общемировой объём выбросов парниковых газов составляет более 30 млрд тонн [1], что, по мнению ряда исследователей, является причиной климатических изменений [2]. В настоящее время в связи с очевидными признаками глобального потепления международными организациями разработаны меры по сдерживанию климатических изменений, вызванных глобальным потеплением [3]. В рамках этих мер рекомендовано частичное замещение традиционной углеводородной энергетики на энергетику, основанную на использовании таких возобновляемых энергоресурсов как энергия солнечного излучения и энергия ветра. Производство электрической энергии на солнечных и ветровых электростанциях в отличии от традиционных тепловых электростанций не приводит к выбросу в атмосферу парниковых газов. Развитие энергетики, основанной на использовании возобновляемых энергоресурсов, возведено в ряд важнейших государственных задач и нашло поддержку на правительственном уровне, в том числе в РФ [4]. Цель исследования В настоящей работе проведен предварительный технико-экономический анализ эксплуатации ВЭС в климатических условиях центра Европейской части России на примере Калужской области, как одной из типичных для данного региона. Методы и средства проведения исследований В настоящее время во всем мире ведется активное строительство ветряных электростанций (ВЭС). За последнее десятилетие отмечен трехкратный прирост таких генерирующих мощностей - с 200 ГВт в 2010 году до 600 ГВт в 2019 году. В РФ также введено в эксплуатацию несколько ветропарков, ведется строительство новых. До 2023 года запланирован ввод до 900 МВт новых генерирующих мощностей. В основе работы ВЭС лежит ветрогенератор - устройство, которое преобразует энергию ветра в электрическую энергию. Известны ветрогенераторы разных типов [5]: · крыльчатые ветрогенераторы имеют горизонтальную ось вращения, а плоскость вращения ветроколеса перпендикулярна направлению потока ветра. Коэффициент использования энергии ветра достигает =0,46. · роторные ветрогенераторы имеют вертикальную ось вращения, т.е. ветроколесо движется по направлению потока ветра. Коэффициент использования энергии ветра в них доходит до =0,18. · барабанные ветрогенераторы имеют горизонтальную ось вращения перпендикулярную направлению ветра. Коэффициент использования энергии ветра доходит до =0,10. В идеальном ветрогенераторе, в котором отсутствуют потери, коэффициент использования энергии ветра не может превышать =0,593 [6]. Крыльчатые ветрогенераторы имеют коэффициент использования энергии ветра наиболее близкий к этому пределу, что и обуславливает их преимущественное распространение. Основными технико-экономическими факторами, определяющими целесообразность строительства ВЭС, являются скорость и постоянство ветра в конкретной местности - так называемый ветроэнергетический потенциал. Оптимальным условием для строительства ветроэлектростанций сегодня считается наличие постоянно дующих со скоростью 9…12 м/с ветров. Интегральные оценочные данные по среднегодовой скорости ветра хорошо известны и доступны [7]. Однако большую практическую ценность имеет более детальная информация, дающая фактические данные, привязанные к конкретному месторасположению, однако получить её непросто и недёшево - она требует длительного непрерывного мониторинга скорости ветра. Для фактической оценки ветроэнергетического потенциала использовались открытые данные о скорости ветра, предоставляемые METAR (Meterological Aerodrome Report)- авиационным метеорологическим кодом для передачи данных о фактической погоде на аэродроме [8]. В METAR доступны данные о скорости ветра с интервалом регистрации 3 часа. Замер скорости ветра осуществляется на высоте 10 м, данные усредняются за десятиминутный период, предшествующий сроку регистрации. В данном случае использовались метеорологические данные для аэропорта «Калуга» им. К.Э. Циолковского (KLF) за 2019 год [9]. Метеорологические условия и рельеф местности в районе аэропорта типичны для центра Европейской части России. Результаты технико-экономического анализа Выполненный анализ данных METAR позволил построить распределение частоты наблюдения той или иной скорости ветра в рассмотренном районе, которое представлено на рис. 1. Рис. 1. Распределение частоты наблюдения скорости ветра Установлено, что осредненная скорость ветра изменялась от 0 до 13 м/с с порывами до 16 м/с. Преобладали ветра от 1 до 4 м/с, средняя скорость ветра составила 2,4 м/с. На основании этих данных ветропотенциал Калужской области можно охарактеризовать как низкий, однако существуют ветрогенераторы, адаптированные к такой низкой скорости ветра. Для проведения технико-экономического анализа целесообразности эксплуатации ВЭС был выбран крыльчатый ветрогенератор малой мощности 48В1/1,5 кВт LOW WIND [10]. Ветрогенератор имеет диаметр колеса 2,8 м и располагается на мачте высотой 9 м. Номинальная мощность ветрогенератора Nном= 1 кВт. Стоимость такого ветрогенератора около 100000 руб. Паспортная характеристика ветрогенератора представлена на рис. 2. Рис. 2. Характеристика ветрогенератора 48В1/1,5 кВт LOW WIND Максимальный коэффициент использования энергии ветра для рассмотренного ветрогенератора составляет = 0,12…0,13. Использованные метеорологические сведения о скорости ветра и характеристика ветрогенератора, аппроксимированная полиноминальной зависимостью, позволили произвести расчет возможной фактической энергогенерации за 2019 г. по формуле: , где = 1204 - количество трехчасовых интервалов, на протяжение которых скорость ветра считалась постоянной и равной зарегистрированной; - мощность электрогенератора при зарегистрированной скорости ветра, кВт·ч. Количество фактической произведенной электроэнергии составило бы = 638,6 кВт·ч. Потенциальная выработка электроэнергии с полной загрузкой установленной мощности за то же количество трехчасовых интервалов находится по формуле: , где = 365 - количество дней в 2019 году. Максимальное количество произведенной за год электроэнергии составляет = 8760 кВт·ч. Зная фактические и потенциально возможные объёмы электроэнергии, рассчитали коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) по формуле: . КИУМ составил = 0,07 (7%). Коэффициент использования установленной мощности в рассмотренном случае крайне низок. Выводы Принимая стоимость электрической энергии 5 руб/(кВт·ч) [11], срок окупаемости ветрогенератора, даже без учета затрат на его установку, вспомогательное оборудование (аккумуляторную установку, систему регулирования и автоматики и т.п.) и техническое обслуживание, можно оценить в 30 лет, что значительно больше его срока службы. Установка такого ветрогенератора в рассмотренных условиях оправдана только в случае острой необходимости, при полной недоступности других источников электроэнергии. Исследования показали, что увеличение единичной мощности ветрогенератора незначительно улучшает его технико-экономические характеристики в заданных условиях. Учитывая большой срок окупаемости ветрогенератора и относительную доступность централизованных электросетей в рассмотренном регионе, можно сделать предварительный вывод об отсутствии экономической целесообразности эксплуатации маломощностных ВЭС в условиях центра Европейской части России.

About the authors

A. A Jinov

Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University

PhD in Engineering Kaluga, Russia

D. V Shevelev

Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University

Email: denis.v.shevelev@yandex.ru
PhD in Engineering Kaluga, Russia

N. E Metlitsky

Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University

Kaluga, Russia

References

Supplementary files