Возможности использования потенциала солнечной радиации и энергии ветра на территории Республики Башкортостан

Афлятонов Рустем Фаритович — Mon, 11 Jan 2016 14:56:15 +0000

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.

Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии» » солнечная энергия

Возможности использования потенциала солнечной радиации и энергии ветра на территории Республики Башкортостан