Оценка ветроэнергетических ресурсов и разработка рекомендаций по выбору мест размещения ветроэнергетических установок на территории Республики Беларусь

21 февраля 2011 года

ТРИФОНОВ А. Г., д.т.н., заведующий лабораторией моделирования  ГНУ «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны» НАН Беларуси

МИХАЛЫЧЕВА Э. А., научный сотрудник ГНУ «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований – Сосны» НАН Беларуси

КАМЛЮК Георгий Георгиевич, заместитель начальника службы гидрометеорологического мониторинга и фондов данных ГУ «Республиканский гидрометеорологический центр»

Введение

Дефицит собственных ископаемых топливных ресурсов в Беларуси, особенности экономических взаимоотношений с поставщиками топлива и энергии из других стран, а также  необходимость повышения энергетической безопасности Республики Беларусь требуют изменения подходов к обеспечению республики топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР). Ветроэнергетика представляет экологически безопасный и в тоже время эффективный, достаточно мощный и доступный источник энергии. Согласно мировому опыту, затраты на внедрение и использование ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэнергетических станций (ВЭС) однозначно окупаются, особенно если учесть экономию за счет снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО₂, 9 тонн SO₂, 4 тонн оксидов азота. По оценкам Global Wind Energy Council, к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО₂ на 1,5 млрд тонн.

Основное условие широкомасштабного использования энергии ветра – наличие достаточно высокого энергетического потенциала. Беларусь располагает значительными ресурсами энергии ветра. Среднегодовая фоновая скорость ветра на территории республики составляет 4,3 м/с. При этом, примерно на четверти пригодной для внедрения ветроэнергетических установок территории среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с, что соответствует требованиям мировой практики по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветротехники

В докладе актуализирована информация о параметрах ветра с учетом тенденции снижения средней скорости ветра на территории Республики Беларусь, приведен статистический, графический и картографический материал с учетом подготовки макета Атласа ветров Республики Беларусь, а также изложены рекомендации по выбору мест для размещения ВЭУ и ВЭС.

Оценка ветроэнергетических ресурсов Республики Беларусь

Для расчета ветровых параметров – направления и средней скорости ветра, повторяемости направлений ветра и др. – были использованы данные пунктов гидрометеорологических наблюдений, равномерно расположенных по территории республики, что позволяет сделать подробный анализ пространственного распределения скорости ветра по градациям. Приземные метеорологические наблюдения производятся в установленные сроки измерений с периодичностью 3 часа (8 раз в сутки).

В целом по республике наибольшую продолжительность в часах за год  (3500-4100 час/год) имеет ветер со скоростью 4-8 м/с. Расчет потенциальных ветроэнергоресурсов показал, что наиболее перспективными районами для развития ветроэнергетики являются северо-восточные и центральные районы, где среднемесячные районы превышают 5 м/с.

В зависимости от высоты места над уровнем моря и имеющейся информации о средней многолетней скорости ветра по данным государственной сети гидрометеорологических наблюдений Департамента по гидрометеорологии, вся территория Республики Беларуси  разделена на 5 регионов, высота которых изменяется от 100 до 350 м (табл. 1).

Таблица 1. Регионы на территории Республики Беларусь по силе ветра по данным государственной сети гидрометеорологических наблюдений Департамента по гидрометеорологии.

Исследование динамики  ветрового режима за последние годы, в т.ч. с учетом изменения (потепления) климата, показало, что в начале 70-х годов ХХ столетия произошло существенное уменьшение скорости ветра (рис. 2), которое сохраняется и углубляется до настоящего времени. Сейчас нет никаких надежных прогнозов того, как долго продержится такой скоростной режим. Хотя исследования данных последних лет (2008-2009 гг.) показывают, что тенденция к падению средней скорости ветра стабилизировалась на одной отметке. При общей картине уменьшения скорости ветра наличие и величина этого уменьшения различны. Это в большей степени связано с тесной зависимостью регистрируемых скоростей от открытости ветроизмерительных приборов.

Была предпринята попытка связать снижение средней скорости ветра с изменением (потеплением) климата (рис. 1, 2), однако на представленных диаграммах прямой связи не обнаружено:

во-первых, снижение средней скорости началось раньше (примерно с 70-х годов прошлого столетия), а потепление климата берет свое начало с конца 80-х годов прошлого столетия;

во-вторых, отдельным пикам потепления, действительно, соответствуют периоды наибольшего ослабления ветра (начало 80-х, конец 90-х и начало 2000-х годов), однако имеют место периоды с совершенно противоположной картиной: начало 70-х, конец 80-х годов.

На рис. 3 представлен ход средней годовой скорости ветра в целом по республике.

Рис. 1.   Отклонение средней годовой скорости ветра от климатической нормы (3,4 м/с) за период 1946-2009 гг. по Беларуси.

Рис. 2. Отклонение средней по Беларуси годовой температуры воздуха от климатической нормы  за период 1947-2009 гг.

Рис. 3. Ход средней годовой скорости ветра в целом по Республике Беларусь.

На территории Республики Беларусь функционируют 3 пункта аэрологических наблюдений, на которых наблюдения за основными метеорологическими параметрами, в т.ч. за параметрами ветра, проводятся с помощью радиозондирования атмосферы. Наибольший интерес из этих наблюдений для целей развития ветроэнергетики представляет слой до 200 м. В поселке Колодищи (телецентр) функционирует высотный комплекс в виде комплектов метеорологических измерительных приборов (в т.ч. приборов для измерения параметров ветра), установленных на уровнях телевизионной мачты на высотах 10, 25, 43, 113 и 145 м.

По обобщенным данным аэрологических наблюдений на высотном комплексе Колодищи построен ход средней скорости ветра по высотам в районе аэрологической станции (рис. 4), а также на основании этих наблюдений рассчитаны коэффициенты для пересчета средней скорости ветра для любой точки над поверхностью земли до высоты 200 м. Эти коэффициенты были использованы для расчетов средних скоростей ветра до высоты 200 м по остальным пунктам наблюдений, а также  построены карты распределения средних скоростей ветра на высоте 10 (фоновая приземная скорость) и 100 м (рис. 5-8).

Рис. 4. Ход средней скорости ветра (м/с) по данным высотного комплекса Колодищи до 200 м, год.

Рис. 5. Распределение средней скорости ветра у поверхности земли (зима).

Рис. 6.  Распределение скорости ветра у поверхности земли,  год.

Рис. 7. Распределение скорости ветра на высоте 100 метров от поверхности  земли, зима.

Рис. 8. Распределение скорости ветра на высоте 100 м от  поверхности  земли,  год.

Повторяемость ветра по направлениям и скоростям является наиболее полной характеристикой ветрового режима.Различают 8 основных направлений или румб горизонта: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, 3, СЗ, а также 8 промежуточных румбов между ними – ССВ, ВСВ, ВЮВ, ЮЮВ, ЮЮЗ, ЗЮЗ, ЗСЗ, ССЗ. Сведения о направлении ветра необходимы для определения преобладающих направлений ветра, при котором дуют самые частые и сильные ветры, это позволит выявить наиболее перспективные ветровые площадки под  ВЭУ. Для территории Беларуси характерны ветры с западной составляющей, что необходимо учитывать при использовании ВЭУ.

В зимний период преобладающими являются ветры западного, юго-западного и южного направлений. Наименьшую повторяемость имеют ветры северного и северо-восточного направления. Примерно такая же ситуация наблюдается и осенью. В летний период – с июня по август – преобладают ветры северо-западного и западного направления. Сравнительно редки в летние месяцы ветры восточной четверти горизонта. Повторяемость северо-западного и западного ветра составляет примерно 40%, а повторяемость северо-восточного и юго-восточного направления в сумме составляет 20-25%. В сумме ветры с западной составляющей (СЗ+З+ЮЗ) отмечаются в течение почти 50% теплого времени года. Сравнительно мала повторяемость восточных румбов. В переходные периоды, особенно весной – в апреле и мае, – ветры всех направлений почти равновероятны, однако, более выражены ветры ЮВ направления. В течение года наибольшую повторяемость имеют ветры западного и юго-западного направления. Следовательно, ветры этих направлений имеют большую энергетическую ценность. Ветровые площадки необходимо располагать на наветренных юго-западных склонах и вершинах возвышенностей, а также в долинах рек, ориентированных с востока на запад.

Рекомендации по выбору мест размещения  ветроэнергетических установок на территории Республики Беларусь

Целесообразность практического использования энергии ветра в значительной степени определяется экономической конкурентоспособностью современных ВЭУ с альтернативными энергоисточниками.

Предпосылки строительства ВЭУ и ВЭС определяются, исходя из существующих нормативов и оценки энергоэффективности территорий, путемэкспертизы ветровых условий, включая натурные измерения в точке предполагаемого возведения  ВЭУ и ВЭС, с последующим корреляционным анализом статистических данных о ветровых режимах в зоне эксплуатации ветротехники, а также экономических показателей на основании опыта эксплуатации  ветроэнергетических установок и ветроэлектрических станций в различных климатических зонах с учетом местных условий и экологической обстановки. Эти условия исходят из опыта мировых поставщиков ветроэнергетических установок и эксплуатации ветроэнергетического оборудования на территориях сопредельных государств в схожих с условиями  Беларуси условиях.

Принципиально важно при создании ветроэнергетической отрасли стран ориентироваться на строительство ветроэлектрических станций. Экономическая выгода очевидна: это общая для всех ветроустановок трансформаторная подстанция, единые система управления, контроля, технического обслуживания и ремонта. На территории будущих ВЭС предварительно рассчитывается средняя годовая скорость ветра в местах размещения ВЭУ, которая, на ряду с техническими характеристиками ВЭУ, является важнейшим фактором, влияющим на экономическую целесообразность строительства ВЭС. Для обеспечения  общественных электросетей предпочтительно освоение ВЭУ высокой мощности от 1 до 2,5 МВт и выше, сгруппированных в ветроэлектрические станции.

При размещении ВЭУ должно быть обеспечено выполнение требований в области охраны окружающей среды с учетом ближайших и отдаленных экологических, экономических, демографических и иных последствий эксплуатации ВЭУ и соблюдением приоритета сохранения благоприятной окружающей среды, биологического разнообразия, рационального использования и воспроизводства природных ресурсов.

При выборе мест для сооружения ВЭУ на территории ВЭС необходимо учитывать следующие критерии:

• площадка под ВЭУ должна быть расположена на выпуклой безлесой местности, свободно обдуваемой ветром;
• средняя годовая скорость ветра должна быть не менее 5 м/с на высоте 10 м  от поверхности земли и 6 м/с на уровне ветроколеса;
• расстояние от площадки под ВЭУ до экранирующих объектов (строений, леса и т.д.), которые превышают площадку, должно быть не менее 20-ти кратной высоты превышения;
• максимальная удаленность площадок под ВЭУ от существующей сети линий электропередачи должна быть не более 1,5 км, от дорог не ближе 50 м, от жилых строений не ближе 200 м;
• предельная величина допустимой акустической нагрузки от ветроагрегатов не должна превышать для жилых районов 50 дБ днем и 35 дБ ночью.

Оценка среднегодовой выработки энергии W ветроэнергетической установкой: проводится по следующему соотношению:, где S– ометаемая ветроколесом площадь (м²); S=πD²/4; ξ– коэффициент использования энергии ветра, ξ=0,36; η_эм – электромеханический КПД ВЭУ, η_эм = 0,9; Т_г– длительность года (ч).

Целесообразность и эффективность строительства прогнозируемых ветроэлектрических парков на территории Республики Беларусь определяется пятью основными показателями:

• энергетической составляющей каждой ВЭУ, оцениваемой по соотношению номинальной рабочей скорости ветра с номинальной мощностью генератора ветроагрегата;
• рельефом и климатическими особенностями каждой строительной площадки под ВЭУ на территории ВЭС;
• ориентацией на особенности потребителя электроэнергии от ВЭС;
• экологической безопасностью;
• экономической эффективностью.

Заключение

Эффективность использования энергии ветра в значительной степени зависит не только от потенциальных ресурсов ветра, но и от выбора места установки ветроагрегата, экономичности строительства и эксплуатации ВЭУ. Возведение более мощных ветроагрегатов, что соответствует мировым тенденциям развития ветроэнергетики, требует более тщательного анализа условий эксплуатации ВЭУ, т.к. даже незначительные просчеты при проектировании могут привести к снижению эффективности выработки энергии ВЭУ и значительным экономическим потерям. Проведение анализа технических требований к проектированию ветроэнергетических установок, расчетов экономических показателей строительства и эксплуатации  ВЭС, а также выполнение требований по снижению экологического воздействия разрабатываемых ВЭУ и ВЭС  повышает эффективность и безопасность строительства и использования ветроэнергетических установок.

Список использованных источников

1. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989 – 37 с.

2. Levich E. New Developments and Classical Theories of Turbulence / Levich E. // Int. J. of Modern Physics. – 1996. – Vol. B10. –P. 2325-2392.

3. Лейтхман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы / Лейтхман Д.Л.  – Л: Гидрометеоиздат, 1970. – 327 c.

4. A.Andrizhievskij. Assessment of wind potential inhomogeneity in the surface layer of atmosphere/ A.Andrizhievskij, A.Trifonov,  E.Mikhalycheva // Nonlinear Phenomena In Complex Systems. – Minsk. – 2006. – Р75-80.

5. A.Trifonov. Use of geoinformation technologies for a choice of wind-driven powerplant sites taking into account of relief and incomplete meteorological data/ A.Trifonov,R. Heling, A.Lukashevich, A.Andrijievskij// Nonlinear Phenomena in Complex Sistems. – Minsk. – 2009. – no1. –p. 81-86.

6. Ландау Л.Д. Гидродинамика/Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. – М.: Наука, 1986. – 356 с.

7. Атлас ветров России / Н.Н. Старков  (и др.). – М.: Можайск–Терра, 2000. –551 с.

8. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 7, Белорусская ССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 429 с.

9. Справочник по климату Республики Беларусь. Ветер и атмосферное  давление. 10. Республиканский гидрометеорологический центр, 2000 г. – 425 с.

10. Борисенко М.М. Вертикальные профили ветра и температуры в нижних слоях атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – 96 с.

11. Борисенко М.М. Распределение ветра в нижнем 200-метровом  слое над городом. –Л.; Гидрометеоиздат, 1977. – 79 с.