УДК 620.92

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОТЕНЦИАЛА СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И ЭНЕРГИИ ВЕТРА НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

Афлятонов Рустем Фаритович1, Ахмадуллин Рушан Зинфирович2, Вавилов Вячеслав Евгеньевич3
1Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, студент группы Э-407. Направление обучения - Электроэнергетика и электротехника
2Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, студент группы Э-407. Направление обучения - Электроэнергетика и электротехника
3Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, руководитель скб-3 кафедры электромеханики, С.Н.С.

Аннотация
В статье проводится сравнительный сравнение потенциалов солнечной радиации и энергии ветра на территории шести регионов России. Для этого использовались данные тестовых фотоэлектрических систем для мониторинга тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей(ТФЭС), в частности - измерительный комплекс для системы мониторинга ТФЭС, установленный в УГАТУ. При сравнении учитывались накопленные статистические данные об изменении выходной мощности солнечных электроустановок и средней скорости ветра в течение года. Из этого сравнения сделан вывод о перспективности данных направлений альтернативной энергетики в Республике Башкортостан.

Ключевые слова: Республика Башкортостан, солнечная радиация, солнечная энергия, солнечные электроустановки, ТФЭС, энергия ветра


THE POSSIBILITY OF USING THE POTENTIAL OF SOLAR RADIATION AND WIND ENERGY IN THE REPUBLIC OF BASHKORTOSTAN

Aflyanonov Rustem Faritovoch1, Akhmadullin Rushan Zinfirovich2, Vavilov Vyacheslav Evgenyevich3
1Ufa State Aviation Technical University, student of group E- 407. Direction of training - Power and Electrical Engineering
2Ufa State Aviation Technical University, student of group E- 407. Direction of training - Power and Electrical Engineering
3Ufa State Aviation Technical University, Head of SKB- 3, Department of Electromechanics, Senior Scientist

Abstract
The article presents a comparative comparison of the potential of solar radiation and wind energy in six regions of Russia. For this test, we used data of photovoltaic systems for the monitoring of thin-film and crystalline photovoltaic modules (TFES), in particular - the measuring system for the monitoring system TFES set in USATU. In comparison took into account the accumulated statistical data on changes in the power output of solar electric and average wind speed over the year. From this comparison it was concluded that, as far as promising directions of development of these alternative energy in the Republic of Bashkortostan.

Keywords: Republic of Bashkortostan, solar energy, solar radiation, wind energy


Библиографическая ссылка на статью:
Афлятонов Р.Ф., Ахмадуллин Р.З., Вавилов В.Е. Возможности использования потенциала солнечной радиации и энергии ветра на территории Республики Башкортостан // Современная техника и технологии. 2016. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2016/01/9121 (дата обращения: 28.05.2017).

Поиски и внедрение новых, нетрадиционных источников энергии – одна из главных мировых проблем ХХI тысячелетия, которая обусловлена локальными истощениями природных ресурсов, возможной перспективой энергетического кризиса и негативным воздействием традиционной энергетики на окружающую среду. Республика Башкортостан располагает широким набором нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (ВИЭ), которые в определенных условиях могут составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам, либо будут выгодно их дополнять, принося ощутимый экономический эффект. К таким направлениям альтернативной энергетики, которые развиваются здесь, относятся ветровая и солнечная энергетики, работающие на ВИЭ.
Перемещение больших масс воздуха – ветер несёт колоссальное количество энергии: почти 2% энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории России определены в 10,7 ГВт.
К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов.
В тоже время существуют и недостатки ветроэлектроустаноковк (ВЭУ), которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника – непостоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) ко времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Ветровой режим (среднегодовая скорость ветра) в различных зонах страны неодинаков.
Солнечная энергетика – одна из самых чистых и экологических способов получения электроэнергии. Она также является одним из успешно развитвивающихся направлениий «зелёной энергетики» в Башкортостане. Это подтверждается тем, что в мае 2014 года Правительство Республики Башкортостан подписало соглашение о сотрудничестве в строительстве солнечных электростанций с компаниями «Хевел» и «Авелар Солар Технолоджи». На данный момент начато строительство пяти электростанций, которые имеют общую мощность почти 40 МВт и будут введены в эксплуатацию в середине 2018 г. В том же году планируется ввод трех солнечных электростанций суммарной мощностью 24 МВт (Исянгуловская — 9 МВт, Бугульчанская (вторая очередь) — 5 МВт и Бурибаевская — 10 МВт) в Зианчуринском, Куюргазинском и Хайбуллинском районах [1].
Солнечная радиация – это перспективный, доступный и неисчерпаемый источник энергии, особенно полезен в наше время постоянного роста цен на традиционные способы получения энергии. 
Но у солнечной энергетики есть и минусы, важнейший из которых – это зависимость от погодных и климатических условий. Именно этот фактор главным образом влияет на место размещения солнечных электрических установок (СЭУ).
Таким образом, эффективность исопльзования ветровой и солнечной энергии напрямую зависит от местных условий климата. Поэтому проблема рационального размещения ВЭУ и СЭУ на территории РФ для получения более дешёвой электроэнергии играет важнейшую роль при оценке перспективности развития данных направлений альтернативной энергетики в Республике Башкортостан.
Для решения данной проблемы необходимо выполнить задачи по накоплению и анализу статистических данных работы ВЭУ и СЭУ в различных климатических условиях, индивидуальных для каждого региона РФ.
Накопление таких данных относительно СЭУ в нашей стране осуществляется с помощью тестовых фотоэлектрических систем для мониторинга тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей (ТФЭС). Данные системы направлены на определение величины солнечной инсоляции, осуществляет сбор, хранение и передачу через сеть Интернет следующих данных, как характеристика модулей, температура окружающей среды, поверхности модуля, уровень солнечной радиации, скорость и направление ветра и т.д. [2]. Подобная система используется и в Башкортостане в целях исследования эффективности солнечных батарей, которое проводит студенческое конструкторское бюро СКБ-3: измерительный комплекс для системы мониторинга ТФЭС размещен на крыше 8-го корпуса уфимского государственного авиационного университета (УГАТУ).
Для решения второй задачи авторами был произведён анализ данных, полученных с помощью подобных измерительных комплексов, используемых для следующих ТФЭС:
- Астрахань АГУ;
- Владивосток;
- Горно-Алтайск ГАГУ;
- Махачкала ИФ ДНЦ РАН;
- Санкт-Петербург ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН;
- Уфа УГАТУ.
После этого было сделано сравнение ТФЭС по значениям относительных мощностей , где  - максимальная активная мощность, вырабатываемая ТФЭС за сутки,  − номинальная мощность ТФЭС.
При этом, чтобы нивелировать влияние погодных условий, различных для мест размещения каждого солнечной панели в разное время, были выявлены дни, в которых погода была приблизительно одинаковой. Для характеристики погоды учитывались следующие параметры: температура окружающего воздуха, длительность светового дня и облачность [3].
Результаты сравнительного анализа сведены в таблицы (табл. 1 – 4). Показатели  определены отдельно для микроморфного и кристаллического модулей.

Таблица 1 – Сравнение ТФЭС по показателю (зима)
место
1
2
3
4
5
6
микромор-фный модуль
Санкт-Петербург
Уфа
Махачкала
Астрахань
Владивосток
Горно-Алтайск
0,91
0,88
0,77
0,68
0,67
0,64
кристали-ческий модуль
Санкт-Петербург
Уфа
Владивосток
Махачкала
Астрахань
Горно-Алтайск
1,03
0,99
0,90
0,90
0,81
0,77
Таблица 2 – Сравнение ТФЭС по показателю (весна)
место
1
2
3
4
5
6
микромор-фный модуль
Махачкала
Горно-Алтайск
Астрахань
Санкт-Петербург
Владивосток
Уфа
1,13
1,06
1,07
0,91
0,84
0,84
кристали-ческий модуль
Махачкала
Горно-Алтайск
Астрахань
Владивосток
Санкт-Петербург
Уфа
1,33
1,24
1,19
1,09
1,03
1,0
 Таблица 3 – Сравнение ТФЭС по показателю (лето)
место
1
2
3
4
5
6
микромор-фный модуль
Владивосток
Уфа
Астрахань
Махачкала
Горно-Алтайск
Санкт-Петербург
1,73
0,95
0,92
0,90
0,86
0,84
кристали-ческий модуль
Владивосток
Махачкала
Санкт-Петербург
Горно-Алтайск
Астрахань
Уфа
1,07
0,98
0,98
0,96
0,94
0,62
Таблица 4 – Сравнение ТФЭС по показателю (осень)
место
1
2
3
4
5
6
микромор-фный модуль
Махачкала
Горно-Алтайск
Уфа
Влади-восток
Санкт-Петербург
Астрахань
1,18
0,94
0,91
0,87
0,8
0,8
кристали-ческий модуль
Махачкала
Горно-
Алтайск
Влади-восток
Санкт-Петербург
Астрахань
Уфа
1,27
1,04
1
0,89
0,86
0,62

Рисунок 1 – Сравнение эффективности работы СЭУ с микроморфныммодулем в течение года

Рисунок 2 – Сравнение эффективности работы СЭУ с кристаллическиммодулем в течение года

Из рисунка 1 видно, что СЭУ с микроморфным модулем, размещённая в Уфе, в течение года имеет относительно высокую эффективность работы по сравнению с аналогичными установками, эксплуатирующимися в других регионах: зимой и летом по показателю  она занимает 2 место, осенью- 3-е и весной 3-е из 6.
Из рисунка 2 видно, что СЭУ с кристаллическим модулем, размещённая в Уфе, в течение года имеет относительно низкую эффективность работы по сравнению с аналогичными установками, эксплуатирующимися в других регионах: по показателю  зимой она занимает 2 место, весной, летом и осенью – 6-е из 6.
Далее сравним данные регионы по ветровому потенциалу. Для этого используем также статистические данные ТФЭС, в данном случае – это средняя скорость ветра. 
Рассчитаем мощность, котороя может быть выработана горизонтально-осевой ВЭУ на примере Уфы.
.Площадь, ометаемая ветроколесом равна:

 м²,

где D – диаметр ветроколеса, м. Здесь принята равной 2 м.
Определим мощность, вырабатываемую ветроустановкой:

, Вт,

где ρ – плотность воздуха, равная 1,23 кг/м³; v – скорость ветра, м/с; ξ – коэффициент использования энергии ветра; η – коэффициент, учитывающий потери при передаче мощности от вала ветроколеса до рабочей машины (К.П.Д. ВЭУ), который определяется:
ηп = ηр ּ ηг, 
где ηр – К.П.Д. редуктора (механический К.П.Д. ηр =0,9); ηг – К.П.Д. генератора (ηг=0,9) 
Для остальных районов потенциального размещения ВЭУ расчёты аналогичны. Полученные результаты заносим в таблицы 5-8

Таблица 5 – Потенциальные мощности ВЭУ (зима)
Астрахань
Владивосток
Горно-Алтайск
Махачкала
Санкт-Петербург
Уфа
Скорость ветра, м/с
4
4
1
2
2
1
Мощность ветроустановки, Вт
25,04
25,04
1,56
6,26
6,26
1,56

Таблица 6 – Потенциальные мощности ВЭУ (весна)

Астрахань
Владивосток
Горно-Алтайск
Махачкала
Санкт-Петербург
Уфа
Скорость ветра, м/с
5
3
5
3
4
4
Мощность ветроустановки, Вт
39,12
14,08
39,12
14,08
25,04
25,04

Таблица 7 – Потенциальные мощности ВЭУ (лето)

Астрахань
Владивосток
Горно-Алтайск
Махачкала
Санкт-Петербург
Уфа
Скорость ветра, м/с
1
1
2
3
1
2
Мощность ветроустановки, Вт
1,56
1,56
6,26
14,08
1,56
6,26

Таблица 8 – Потенциальные мощности ВЭУ (осень)

Астрахань
Владивосток
Горно-Алтайск
Махачкала
Санкт-Петербург
Уфа
Скорость ветра, м/с
1
2
2
1
1
1
Мощность ветроустановки, Вт
1,56
6,26
6,26
1,56
1,56
1,56
Составим сравнительную диаграмму для анализа расчётов (рисунок 3)

Рисунок 3 – Сравнение эффективности работы ВЭУ в течение года

Из диаграммы видно, что ВЭУ, размещённая в Уфе, в течение года имеет относительно низкую эффективность работы по сравнению с аналогичными установками, эксплуатирующимися в других регионах. зимой -6 –е Весной . летом и осенью -3- место по мощности ВУэ она занимает 2 место, осенью- 3-е и лишь весной 3-е.
Таким образом, использование солнечной энергии на территории Республики Башкортостан, с точки зрения климатических ресурсов, является энергетически выгодным, при этом наиболее перспективное направление в данном регионе, на основе полученных данных – ипользование микроморфных модулей. В течение большей части года сохраняется высокая эффективность работы СЭУ, по которой Башкортостан уступает лишь двум регионам из 6 (Горно-Алтайск и Махачкала или Санкт-Петербург). Это позволит добиться высоких показателей удельной выработки электроэнергии солнечных электростанций и повысить энергонезависимость региона без ущерба для экологии.
Исследование также показало, что использование ветровой энергии на территории Республики Башкортостан нерентабельно. В течение большей части года эффективность работы ВУЭ остаётся сравнительно низкой и лишь весной достигается наибольшая теоретическая мощность ВЭУ, равная 25 кВт, что превосходит аналогичную выходную мощность ВЭУ в Махачкале.


Библиографический список
  1. Бывальцева, А.И., Развитие солнечной энергетики в республике Башкортостан [текст] / А.И. Бывальцева // Международный научно - исследовательский журнал. – Москва, 2014. – Вып. 30. – С. 117.
  2. Данные мониторинга солнечной инсоляции [Электронный ресурс]: измерения метеоданных, параметры кремниевых панелей/ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН – Электрон. текстовые дан. – Санкт-Петребург: НТЦ ТПТ им. А.Ф. Иоффе, 2015. – Режим доступа: http://ntc.nudl.net
  3. Дневник фактических данных погоды [Электронный ресурс]: данные метеорологических наблюдений/ Гидрометцентр России - Электрон. текстовые дан. – Москва: Росгидромет, 2015 − Режим доступа: http://www.gismeteo.ru/diary
  4. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е., Бекузин В.И., Якупов А.М.«Evaluating the effectiveness of photovoltaic panels with a rotation mechanism for region of Republic Bashkortostan»/ Международный научный журнал « International Journal of Renewable Energy Research-IJRER. – 2015 – Вып. 5.
  5. Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е., Бекузин В.И., Якупов А.М.«Solar power in the north-steppe subzone temperate climate»/ Международный научный журнал « International Journal of Renewable Energy Research-IJRER. – 2015 – Вып. 5.


Все статьи автора «Афлятонов Рустем Фаритович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: