Вітрова енергетика України. Історія та методи дослідження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вітрова енергетика України. Історія та методи дослідження

геліоенергетичний ресурс вітропотенціал районування

Подальше зростання геліоенергетичних ресурсів спостерігається у лютому, що спричинене як збільшенням тривалості світлої частини доби та висоти сонця над поверхнею горизонту, так і зменшенням хмарності, що найбільш яскраво проявляється у центральній частині країни, де через вплив хмарності спостерігаються високі значення сум виробітку енергії сонячними батареями - більше 4 кВт*год./рік.

Для березня характерна найбільша інтенсивність циклонічної діяльності. Це є причиною того, що територіальна мінливість ГЕР у березні стає значно більшою, ніж у зимовий період, бо це спричинене збільшенням впливу фактору хмарності. Крім того, значно збільшився середній за територією країни показник ГЕР порівняно з попереднім місяцем: з 4,2 кВт год/рік у лютому до 7,5 кВт год/рік у березні. Таке зростання пояснюється тим, що оптимальний середньорічний кут нахилу фотоелектричних панелей дорівнює оптимальному середньомісячному кутові нахилу приймальної поверхні у березні та вересні. Подальше збільшення геліоенергетичних ресурсів протягом весняних та літніх місяців є більш повільним та відбувається не завдяки збільшенню кута падіння сонячних променів на сонячні батареї (останній дещо зменшується протягом першої половини вказаного періоду), а завдяки збільшенню тривалості дня та зменшенню хмарності.

У квітні ГЕР рівнинної території країни наближуються до широтного розподілу. Розрахункові суми виробітку змінюються від 8 кВт год/рік на північному сході до 9,5 кВт * год/рік у Кримському степовому краї.

У травні знову-таки змінюється розподіл геліоенергетичних ресурсів. Мінімальні значення - 8 кВт * год/рік - спостерігаються вже у Західно-Українському краї зони широколистих лісів, зокрема на Волинському та Малому Опіллі, а також у Розточчі та Опіллі, через вплив хмарності. Взагалі улітку вплив хмарності на розподіл радіації є значно більшим, ніж протягом іншої пори року. На іншій частині території ресурс змінюється незначно.

У червні мінімальні значення спостерігаються знов-таки у Західно-Українському краї, проте вони все ж зростають до 9,5 кВт год/рік. На іншій частині території країни досліджуваний ресурс збільшується у південно-східному напрямку.

Протягом липня для всієї території країни характерні максимальні значення розрахункових сум виробітку СБ, що змінюються в межах від 10,5 кВт год/рік на північному сході до 12 кВт год/рік на узбережжі Чорного моря.

У серпні значення геліоенергетичних ресурсів дещо зменшуються, але картина розподілу по всій території країни залишається попередньою.

У вересні найменші значення ресурсу притаманні Поліському краю, Лівобережно-Дніпровському та Східно-Українському лісостеповим краям, а також Старобільській схилово-височинній області Задонецько-Донського північно-степового краю - 8,5 кВт год/рік. Вони дещо збільшуються у південному напрямку до 10,5 кВт год/рік.

Значно зменшуються геліоенергетичні ресурси у жовтні. Так, якщо середні значення останнього для вересня складають 9,5 кВттод/рік, то для жовтня - 6,5 кВт год/рік, що пов'язане з кутом нахилу сонячних панелей, про що йшлося вище. ГЕР змінюються від 6 кВт год/рік у Північно-Полтавському рівнинному та Сумському височинному лісостепу до 8,5 кВт год/рік у Кримському лісостеповому краї.

У листопаді територіальна мінливість досліджуваного ресурсу зменшується до 2 на більшій частині досліджуваної території: 2,5 кВт год/рік - у Поліссі та 4,5 кВт год/рік - на Нижньодніпровській терасово-дельтовій південностеповій областіній області Задонецько-Донського північно-степового краю - 8,5 кВт год/рік. Вони дещо збільшуються у південному напрямку до 10,5 кВт год/рік.

Значно зменшуються геліоенергетичні ресурси у жовтні. Так, якщо середні значення останнього для вересня складають 9,5 кВттод/рік, то для жовтня - 6,5 кВт год/рік, що пов'язане з кутом нахилу сонячних панелей, про що йшлося вище. ГЕР змінюються від 6 кВт год/рік у Північно-Полтавському рівнинному та Сумському височинному лісостепу до 8,5 кВт год/рік у Кримському лісостеповому краї.

У листопаді територіальна мінливість досліджуваного ресурсу зменшується до 2 на більшій частині досліджуваної території: 2,5 кВт год/рік - у Поліссі та 4,5 кВт год/рік - на Нижньодніпровській терасово-дельтовій південностеповій області

Дослідження вітроенергетичних ресурсів в Україні

Дослідження вітру в Україні за останні 50 років проводились у декількох напрямах. Першим є дослідження вітрового режиму території України, її окремих ділянок, зокрема міст, а також акваторії Чорного моря. Під час опису швидкостей вітру найбільш повно висвітлюються їхні часові зміни протягом року - за сезонами або за місяцями. Серед факторів, що впливають на просторовий розподіл показника швидкості вітру, виділяють баричний градієнт, умови циркуляції атмосфери та характер підстилаючої поверхні (її шерехатість).

Велике значення для визначення потреб вітроенергетики має добовий хід швидкості вітру. Найбільші швидкості вітру спостерігаються у денні години, що пов'язане з розвитком конвекції, що створює значний вертикальний обмін повітря [1, 2]. Вночі радіаційне вихолоджування земної поверхні збільшує стійкість нижніх шарів повітря, сприяючи зменшенню швидкості вітру.

Для розвитку вітроенергетики важливою також є зміна середньої швидкості вітру за останні роки, а також тенденції та прогнози її змін. Щодо останнього, є дані, що за останні ЗО років середня швидкість вітру майже на всій території зменшилась на 10-35% [3]. Вказується на те, що цей факт може бути пов'язаний як із суб'єктивними причинами (зміною методик вимірювання швидкостей вітру, перехід на використання дистанційних анеморумбоме-трів, забудовою територій у районі станцій), так і з об'єктивними причинами змін у макро - та мезоциркуляційних процесах в атмосфері. Здійснивши детальний аналіз змін середньомісячної швидкості вітру, автори Кульбіда М. І. та Бондаренко 3. С. доходять висновку, що у східних і південних районах за останнє 30-річчя (починаючи з 70-х років) відзначається зменшення середньої швидкості вітру.

Детальністю характеристик вітрового режиму на регіональному рівні відрізняються дослідження вітру над Чорним морем [4-5].

Ведеться детальний аналіз вітрового режиму окремих міст, зокрема характеризується річна динаміка швидкостей вітру, її залежність від баричних градієнтів та пропозиції щодо прогнозування [6-7].

Іншим напрямом дослідження вітру є саме дослідження вітроенергетичних ресурсів.

Районування та типологія території України за вітропотенціалом відбувається на основі комплексу показників:

середньорічна швидкість вітру;

її мінливість;

питома потужність та сумарні потенційні вітроенергоресурси;

утилізована вітрова енергія;

тривалість енергоактивної швидкості вітру та енергетичного

штилю;

безперервна тривалість робочої швидкості вітру.

Було виділено 5 типів територій, кожному з яких присвоєний певний ранг вітроенергозабезпеченості [3].

Дуже високим потенціалом характеризуються узбережжя Чорного та Азовського морів, Південний берег Криму, вершини Українських Карпат, Кримських гір; високим потенціалом - Донецька височина, ПрИазовська та Причорноморська низовини; достатнім потенціалом - Подільська та Придніпровська височини; невисоким потенціалом - Поліська та Придніпровська низовини, Волинська височина, низьким потенціалом - Передкарпаття, Закарпаття, долини Українських Карпат та Кримських гір. Недоліком такої оцінки, на думку авторів, є високі кореляції між використаними при оцінці показниками.

У деяких роботах за середньорічними швидкостями більше 5 м/с виділяють регіони (Карпатський, Причорноморський, При-азовський, Донбаський, Західно-Кримський, Східно-Кримський) та зони - Харківська й Полтавська, що є найбільш придатними для розвитку вітроенергетики.

Технології використання вітрової енергії

Вітрові електростанції перетворюють кінетичну енергію вітру в енергію обертання, що обертає турбіну, створюючи електричний струм.

Конструктивно вітрова енергетична установка (ВЕУ) повинна складатися з вітродвигуна, машинного відділення, опори. Вітродвигун перетворює енергію вітрового потоку в механічну, що в подальшому використовується Для приводу машин або трансформується в електричну чи тепло. Вітродвигуни, що використовуються як привід електричного генератора ВЕУ, поділяються на 2 види: роторного і пропелерного типу.

Машинне відділення ВЕУ повинне включати: електричний генератор; обгінну муфту, що від'єднує вал вітродвигуна від вхідного вала мультиплікатора для запобігання вентиляторного режиму; електричне, механічне чи гідравлічне гальмо; мультиплікатор зі змінним чи постійним передаточним відношенням для великої частоти обертання вітродвигуна до рівня, визначеного характеристиками електричного генератора; муфта зчеплення, що зв'язує вихідний вал мультиплікатора та вал електричного генератора; електромеханічний чи гідравлічний привід кута встановлення лопаті й кута конусності; інформаційні та контрольні блоки системи автоматичного регулювання; електромеханічний чи гідравлічний привід кута орієнтування на напрямок вітрового потоку для ВЕУ з ВДП; необхідне допоміжне обладнання. вала мультиплікатора для запобігання вентиляторного режиму; електричне, механічне чи гідравлічне гальмо; мультиплікатор зі змінним чи постійним передаточним відношенням для великої частоти обертання вітродвигуна до рівня, визначеного характеристиками електричного генератора; муфта зчеплення, що зв'язує вихідний вал мультиплікатора та вал електричного генератора; електромеханічний чи гідравлічний привід кута встановлення лопаті й кута конусності; інформаційні та контрольні блоки системи автоматичного регулювання; електромеханічний чи гідравлічний привід кута орієнтування на напрямок вітрового потоку для ВЕУ з ВДП; необхідне допоміжне обладнання. Традиційно ВЕУ мають три лопаті, але можуть бути 2, 4, 6 тощо для даного діаметра вітрового колеса, за збільшення числа лопатей коефіцієнт використання вітру зростає. Збільшення цього коефіцієнта при переході від 1 до 2-х лопатей складає 10%, а при переході від 2 до 3-х лопатей - 5%.

Основними характеристиками конструкції лопатей є профіль розрізу і форма, матеріал і метод виготовлення. Зазвичай застосовуються секції лопатей із профілем крила для досягнення високого відношення підйомної сили до лобового опору, а отже, високого коефіцієнта використання енергії вітру. Матеріали лопаті різні -

дерево, алюміній, сталь, склопластик тощо. Дерево - ялина, бук. Дерев'яні лопаті часто посилюють використанням алюмінію, сталі, міді.

Кут встановлення лопатей для невеликих ВЕУ змінний. Кутвстановлення лопатей забезпечує захист від перевищення максимальної частоти обертання та регулювання потужності. Для невеликих ВЕУ використовуються лопаті з фіксованим кутом в тих випадках, коли підвищення максимальної частоти обертання може бути попереджено іншими засобами. ВЕУ горизонтально-пропелерного типу потребують механізму орієнтації для напрямлення ротора вітрової турбіни за змінами в напрямку вітру. Найбільш проста система, коли вітрова труба обертається за вежею.

Географічні фактори використання вітрової енергії

Головними фізико-географічними чинниками, що впливають на вітроенергетичні ресурси, є: баричний градієнт; інтенсивність циклонічної діяльності; рослинний покрив; відносна висота; *. розчленованість рельєфу.

Баричний градієнт - це різниця між значеннями атмосферного тиску на одиницю відстані. Саме цей показник характеризує причину виникнення усіх вітрів - різницю атмосферного тиску.

Інтенсивність циклонічної діяльності показує повторюваність циклонів на території. Для циклонів характерні найбільші швидкості вітру, тому циклонічна діяльність сприяє збільшенню вітроенергетичних ресурсів. І навпаки, антициклони характеризуються найменшими швидкостями вітру.

Рослинний покрив, особливо ліси, зменшують швидкість приземного вітру. Взагалі підстилаючи поверхня визначає силу тертя повітряних мас та, відповідно, зменшення швидкості вітру. Мінімальне зменшення швидкості вітру дає водна поверхня, тому на узбережжях вітропотенціал є високим. Максимальне зменшення швидкості вітру дають лісові ділянки, тому на них вітропотенціал значно зменшується.

Чим більша відносна висота, тим більшими є швидкості вітру. Взагалі, швидкість вітру з висотою збільшується. Це спричинене, по-перше, тим, що з висотою зменшується тертя об земну поверхню. По-друге, під час подолання перешкод, таких як гори, височини, плоскогір'я, щільність та швидкість вітрового потоку збільшуються.

Розчленований рельєф, наприклад у долинах річок (особливо гірських), взагалі зменшує середні швидкості вітру. Проте на окремих ділянках, де виникає концентрація вітрових потоків (наприклад, стокові вітри), середні швидкості вітру можуть значно збільшуватись.

Серед економіко-географічних чинників розвитку вітроенергетики можна виділити такі:

Віддаленість від електромережі. Використання вітроустановок на територіях, де відсутня електромережа, є економічно доцільним через відсутність інших джерел електричної енергії або надмірну вартість прокладання лінії електропередач до об'єкта енергоспоживання.

Наявність вільних ділянок землі. Доцільним є використання. земель для встановлення вітроустановок, якщо останнє не заважає основному використанню цих земель. Наприклад, установлення вітроагрегатів на ділянках пасовищ не заважає використовувати ці землі для потреб сільського господарства.

Підтримка державних та місцевих органів влади. За рахунок органів влади можна зменшити витрати на створення вітрових електростанцій. Також можна збільшити дохід від виробітку енергії. Так, наприклад, країни Європейського Союзу купують усю електроенергію, що виробляється ВЕС за підвищеними цінами.

Наявність транспортної мережі. Для встановлення великих вітроустановок з потужністю понад 1 МВт вітроагрегати потрібно доставити до місця установки. Відсутність доріг з потрібними параметрами дуже ускладнює та дорожчає встановлення вітроагрегатів.

Слід відзначити, що під час розглядання перспектив розвитку вітроенергетики на більш локальних рівнях можуть з'являтись інші географічні чинники, які необхідно враховувати.

Размещено на Allbest.ru