ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ НА ПРИМЕРЕ ОБЪЕКТА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Исходя из природных и климатических особенностей, а также развитой сетевой инфраструктуры, Астраханская область представляет собой один из наиболее перспективных регионов для развития возобновляемой энергетики. Особый интерес представляют широкие зоны ветрового коридора, характеризующаяся стабильными и интенсивными ветрами по направлению и силе, что делает ее привлекательной для развития ветроэнергетики.

Высокие мачты ветряных энергетических установок обеспечивают возможность полного использования энергии ветра. Отбор мощности начинается приблизительно с скорости ветра 4 м/с, а номинальная мощность ветроэнергетических установок достигается при скорости ветра 14-16 м/с. Эти параметры свидетельствуют о перспективности использования ветровой энергии в данном регионе для производства электроэнергии.

Рисунок 1 иллюстрирует регионы России, где установка ветроэнергетических установок (ВЭС) является целесообразной. В контексте Астраханской области этот рисунок показывает, что скорость ветра на данной территории доминирует и является приемлемой для строительства ветроустановок.

Рисунок 1. Распределение среднегодовой скорости ветра на территории России

Важным показателем в области ветроэнергетики является "Повторяемость различных градаций скорости ветра", который может быть рассмотрен как процент времени, в течение которого наблюдалась определенная градация скорости ветра. Этот показатель представляет собой временную характеристику скорости ветра, и его значимость заключается в оценке временных интервалов работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра.

Анализ распределения ветровых ресурсов по территории Астраханской области указывает на то, что по мере приближения к Каспийскому морю мощность ветрового потока увеличивается. Удельная мощность ветра на высоте 100 м в прибрежных районах составляет до  и выше. Это, безусловно, представляет перспективу для развития крупной ветроэнергетики [1].

Данные о распределении ветрового потенциала в течение года по градациям приведены в таблице 1 для рассматриваемого предприятия в Астраханской области. Учитывая заметные сезонные изменения скорости ветра, разумно выбирать месяц в качестве интервала дискретизации ветрогенерации. Таким образом, среднее значение распределения месячного ветрового потенциала определяется на основе обработки ежедневных наблюдений на ближайшей метеостанции.

Таблица 1

Повторяемость (%) различных градаций скорости ветра для рассматриваемого предприятия в Астраханской области

На рисунке 2 представлено распределение времени, в течение двух месяцев наблюдений, по различным градациям скорости ветра для региона, где расположено рассматриваемое предприятие в Астраханской области за период с 2020 по 2023 год.

Рисунок 2. График распределения продолжительности градаций скорости ветра

На рисунке 3 представлен годовой график электропотребления небольшого промышленного предприятия в Астраханской области. Для надежного обеспечения электроэнергией таких потребителей требуется простой, надежный, экономичный и гибкий источник электропитания, способный адаптироваться к широкому диапазону установленных мощностей.

Рисунок 3. Годовой график электрических нагрузок объекта автономного электроснабжения

Согласно общепринятым рекомендациям для применения ветроустановок малой и средней мощности, среднегодовая скорость ветра не должна опускаться ниже 4 м/с. Однако, для более обоснованных выводов, учитывая распространение ветрогенераторов с низкими рабочими скоростями ветра и стоимость локальной дизельной генерации, необходимо провести экономический анализ. Важно отметить, что в автономных системах электроснабжения ветроэнергетика может быть эффективной даже при более низких скоростях ветра, возможно, 3 м/с является нижним пределом среднегодовой скорости ветра, при котором данное решение остается экономически обоснованным.

Основной характеристикой ветропотенциала, влияющей на решение о целесообразности строительства ветроэлектростанции и предварительный выбор ветрогенератора, является среднегодовая скорость ветра (Vcp).

Связь между электрической мощностью, которую может генерировать ветрогенератор, и скоростью ветра устанавливается известным математическим соотношением

                                                                                           (1)

где ξ - коэффициент использования энергии ветра (для быстроход­ных ветротурбин в номинальном режиме достигает своего максимума? x_max); R - радиус ротора ветротурбины [м]; r – плотность воздуха (при нормальных условиях r= 1,2041 кu/м³); V_cp - среднего­довая скорость ветра [м/с]; η - КПД электромеханического преобразо­вателя энергии (η = 0,7 - 0,9).

Основываясь на предполагаемом объеме генерируемой энергии и среднегодовой скорости ветра, можно предварительно выбрать подходящие варианты ветрогенераторов, доступных на рынке.

Характеристики для ветрогенератора выбранного для рассматриваемого предприятия в Астраханской области - CondorAir мощностью 60 кВт при скорости ветра 7,5 м/с и стартовой скоростью ветра 2,5 м/с приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Мощностная характеристика ветрогенератора

Понятно, что в регионе с невысоким потенциалом ветроэнергии важно разработать оптимальную установленную мощность ветроэлектростанции. Эта мощность должна быть настроена на максимальное использование ветра и должна основываться на данных о производительности проектируемой гибридной системы электроснабжения. Процесс определения генерируемой электроэнергии ветрогенератором в автономной системе электроснабжения для учета ветровых условий и потребления энергии на объекте представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Покрытие нагрузки поселка ветрогенератором

Как видно из графика на рисунке 6, выбранный ветрогенератор в наиболее ветренные месяцы способен обеспечить лишь до 50% энергопотребности объекта. Увеличение установленной мощности ветровой части гибридной энергосистемы может повысить выработку электроэнергии, что приведет к большей экономии дизельного топлива. Однако, при этом, следует учесть увеличение стоимости оборудования станции.

Рисунок 6. Покрытие нагрузки двумя ветрогенераторами

Если для рассматриваемого объекта использовать два ветровых генератора, то среднее значение покрытия электропотребности составляет 61%. Минимальное значение, равное 36,4%, отмечается в августе, в то время как максимальное достигает 94,5% в марте. Окончательное определение соотношения мощностей ветроэлектростанции и дизельной электростанции, основанное на энергетическом балансе, подкреплено экономическими расчетами.

Энергетический баланс гибридной системы электро­снабжения для ветровых условий рассматриваемого объекта и ветрогенераторов показан в таблице 2.

Таблицы 2

Энергетический баланс гибридной электростанции для рассматриваемого объекта

Из таблицы 2 видно, что три ветрогенератора покрывают почти 90% потребности рассматриваемого объекта в электроэнергии. При этом избыток ветровой энергии невелик, составляя около 10% годового потребления рассматриваемого объекта.

Результаты экономических расчетов [2] для данной гибридной электростанции следующие:

1. Расчетный коэффициент эффективности капитальных затрат (Е_р):

Е_р ≈ 0,13 (в долях единицы)

Этот коэффициент показывает, что каждый рубль капитальных вложений приносит примерно 0,13 рубля дополнительной прибыли.

2. Срок окупаемости капитальных вложений (Т_ок):

Т_ок≈ 7,69 лет (округлено до 8 лет)

Этот показатель указывает, что капитальные вложения окупятся примерно через 8 лет благодаря экономии, достигнутой в результате внедрения технического решения.

3. Коэффициент эффективности составляет:

Е_н = 1 / 12 ≈ 0,083.

Поскольку расчетный коэффициент эффективности капитальных затрат (Е_р ≈ 0,13) больше нормативного значения (Е_н ≈ 0,083), это свидетельствует о том, что внедрение данного проекта является экономически целесообразным.

Расчеты показали экономическую целесообразность внедрения вертикальных ветрогенераторов в данном регионе. Срок окупаемости и расчетный коэффициент эффективности указывают на то, что инвестиции в данное техническое решение оправданы.

Исходя из всего выше сказанного, ветроэнергетика, в частности, вертикальные ветрогенераторы, имеют большой потенциал для развития в регионах с хорошим ветровым ресурсом, включая Астраханскую область. Эти системы могут способствовать диверсификации источников энергии и уменьшению зависимости от традиционных источников.