ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В

Electrical facilities and systems
Novgorod: NGTU, 2005. – T. 15. – S. 188 – 193.
8. Roginskaja L.Je. Silovoj rezonansnyj modul'
dlja pitanija jelektrotehnologicheskih nagruzok [Tekst]
/ L.Je. Roginskaja, B.Je. Rahimov // Jenergetika,
jekologija, nadezhnost', bezopasnost': mater. shestoj
vseros. nauch.-tehn. konf. – Tomsk: 2000. – S. 241–244.
Кушнир В.Г.
Kushnir V.G.
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Машины, тракторы
и автомобили» Костанайского государствен­
ного университета имени А. Байтурсынова,
Казахстан, г. Костанай
Кошкин И.В.
Koshkin I.V.
кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой «Электроэнергетика
и физика» Костанайского государственного
универси­тета имени А. Байтурсынова,
Казахстан, г. Костанай
УДК 621.668
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В КОСТАНАЙСКОЙ
ОБЛАСТИ СЕВЕРНОГО РЕГИОНА КАЗАХСТАНА В ЦЕЛЯХ ГЕНЕРИРОВАНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
В данной научной работе приведены результаты исследования важных аспектов целесообразности
использования ветроэнергетических станций в Костанайской области Северного региона Республики
Казахстан. Более чем 15% территории области с населением более 100 тыс. человек находится вне систем централизованного электроснабжения. Для электроснабжения используется привозное топливо
или бензиновые генераторы, что завышает затраты на производство электроэнергии невысокого качества. Решение по установке средств возобновляемой энергетики может существенно сократить затраты
на привозные топливные ресурсы и повысить степень охраны окружающей среды от вредных выбросов.
В научной работе представлен территориальный потенциал исследуемых площадей, энергетическая
характеристика области по состоянию генерируемых и потребляемых мощностей, а также динамики
тарифов на электроэнергию с начала 2005 года. Представлены обоснованные результаты исследований
ветроэнергетических ресурсов Костанайской области за последние годы, выявлены изменения розы ветров относительно исследований предыдущих лет. Определена средняя скорость ветрового потока в
диапазоне 2–6 м/сек. Эти значения предполагают выводы, что применение малых ветроустановок вполне оправданно. Однако следует учитывать, что к выбору места установки выдвигаются дополнительные
требования наличия возвышенностей, открытость доступа к ветроколесу и др. Также выявлен наиболее
перспективный регион области в отношении развития ветроэнергии, которым является юго-восток Костанайской области с наибольшим средним значением ветровой нагрузки – г. Аркалык – 5,1 м/с. Кроме
обоснования необходимости и целесообразности использования ветрогенераторных установок обозначены проблемы технического характера. К ним можно отнести сложности при корректировке режимов
генерации энергии ветроустановками с графиком реального электропотребления при отсутствии или
ограничении аккумулирующих устройств; проблемы обеспечения качества генерируемой электроэнергии; необходимость резервирования ветровых электростанций; высокие стоимости установки на единицу удельной мощности. Кроме того, представлены исследования экономических, социальных и экологи-
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 9, 2013
49
Электротехнические комплексы и системы
ческих факторов применения ветроустановок на территории области.
Ключевые слова: электроснабжение, ветер, климат, электроэнергия, возобновляемые источники
энергии, ветроэнергетическая установка, энергетический ресурс.
THE EFFICIENCY OF WIND ENERGY IN THE KOSTANAI REGION OF NORTH
KAZAKHSTAN REGION FOR THE GENERATION OF ELECTRICAL ENERGY
This research paper presents the results of a study on the feasibility of the important aspects of the use of
wind power stations in Kostanai region of Northern region of the Republic of Kazakhstan. More than 15 % of the
region with a stay of more than 100 thousand people is out of the centralized power supply. Electricity is used for
imported fuel or gasoline generators, thereby inflating the cost of producing electricity and losing its quality. The
decision to install renewable energy resources can significantly reduce the cost of imported fuel resources and
to increase the degree of protection of the environment from harmful emissions. In a study presented territorial
potential study areas, the energy characteristics of the area as generated and consumed power, as well as the
dynamics of electricity prices since the beginning of 2005. Presented the results of research - based wind energy
resources Kostanai region in recent years, revealed changes in wind patterns relating to research previous years.
To determine the average speed of the wind flow in the range of 2-6 m/s. These values suggest the conclusion
that the use of small wind turbines is justified. Note, however, that the choice of installation site have additional
requirements presence of hills, open access to the wind wheel, etc. Also, identify the most promising areas in the
region for the development of wind energy, which is southeast of Kostanai region with the highest average wind
load. Arkalyk - 5,1 m/s. In addition to the rationale for and feasibility of a wind generator installations identified
technical problems. These include the difficulty in adjusting the mode of energy generation wind turbines to the
schedule of the real power consumption when there is no restriction or accumulating devices, quality assurance
issues generated electricity, the need to backup wind power, high cost per unit of power density. In addition, the
study presents the economic, social and environmental factors of wind power use in the region.
Key words: electric power supply, wind, climate, electricity, renewable sources of energy, wind turbine,
energy resource.
Республика Казахстан обладает крупными
запасами энергетических ресурсов (нефть, газ,
уголь, уран) и является энергетической державой.
Общий запас нефти, газа и угля составляет примерно 13 млрд т нефтяного эквивалента, и по этим
показателям республика входит в первую десятку
стран мира [1].
Общая установленная мощность производства
электроэнергии в Казахстане составляет приблизительно 19 ГВт. Однако из-за устаревающего оборудования и плохого обслуживания фактическая мощность станций составляет около 12 ГВт. Потери при
передаче и распределении электроэнергии достаточно
высоки (почти 15%). Устаревающая инфраструктура
производства энергии в Казахстане и необходимость
замены генерирующих мощностей для поддержания
приемлемых уровней качества и надежности снабжения электроэнергией заставляют задуматься об использовании нетрадиционных источников энергии.
Следует заметить, что энергетика Казахстана
сильно зависит, приблизительно на 85%, от производства электроэнергии с использованием угля.
Уголь является топливом с высокой интенсивностью углерода. По этой причине Казахстан является одним из крупнейших в мире источников вы-
50
бросов углерода и одним из лидеров по количеству
его на душу населения. Республика является участником Рамочной конвенции ООН по изменению
климата, которую она ратифицировала в 1995 г. В
соответствии с Рамочной Конвенцией (РКИК ООН)
Казахстан имеет обязательства по выполнению
программ, связанных со снижением выбросов в
атмосферу «парниковых газов». Все это свидетельствует о возможности развития возобновляемой
энергетики и, в частности, ветроэнергетики Казахстана [1].
Целью работы являлся анализ эффективности
применения ветроустановок в Костанайской области при наличии необходимого среднегодового ветрового потенциала, а также выявление наиболее
перспективных регионов области, где развитие ветроэнергетики носило бы перспективный характер.
Предметом исследования является ветровая
нагрузка как основная характеристика развития ветроэнергетической отрасли.
Объектом исследования являются: Костанайская
область и отдельно рассмотренные города разных
сторон света области: Костанай, Житикара, Аркалык.
Задачи научной работы: исследование энергетического состояния области на сегодняшний день;
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 9, 2013
Electrical facilities and systems
выявление территориального потенциала области;
исследование климатообразующих факторов области; выявление наличия ветроэнергетических ресурсов области; построение розы ветров регионов
Костанайской области; определение наиболее перспективного региона области в отношении развития
ветроэнергии; исследование экономической и экологической составляющих развития ветроэнергетики;
выявление целесообразности применения ветро­
установок на основе проделанных исследований.
В настоящее время из-за дефицита и дороговизны электроэнергии определяется возможность введения новых альтернативных источников энергии,
которые будут не только вырабатывать недостающую энергию, но и повлияют на стоимость электрои теплоэнергии, а также экологическое состояние [2].
Энергетическое состояние Костанайской области, по мнению многих ученных, ожидает кризис.
По официальным данным, в регионе рост потребления энергии за 10 лет возрос на 70%. Станции
Костанайской области самостоятельно вырабатывают лишь 30% из общего потребления энергии, а
остальная энергия приобретается у Экибастузского
и Павлодарского энергоцентров. Ко всему прочему
в Костанайской области значительно увеличивается стоимость электроэнергии. Так, за период с 2005
по 2012 год цена за электроэнергию увеличилась
более чем в два раза.
Все это свидетельствует о том, что скоро регион может столкнуться с проблемой невозможности
обеспечения энергией области. Одним из путей
решения данных проблем является замещение традиционных источников электроэнергии возобновляемыми. Одними из самых доступных являются
ветроэнергетические установки.
Целесообразность применения ветроэнергетических установок определяется ветроэнергетическими ресурсами, конструктивными особенностями агрегатов, природно-хозяйственными условиями
и сравнительными технико-экономическими показателями [3].
Площадь территории области составляет при-
мерно 196 тыс. км2. Территория области характеризуется относительно равнинным рельефом.
Северную часть занимают юго-восточная часть
Западно-Сибирской низменности, к югу от нее располагается Тургайское плато, на западе области –
волнистая равнина Зауральского плато, а на югозападе – отроги Сары-Арки.
Климат резко континентальный и крайне засушливый. На формирование климата Казахстана
оказывают влияние три основных типа воздушных
масс: арктические, полярные и тропические. Летом
над территорией создается область пониженного
давления и образуется континентальный тропический (туранский) воздух с запада на восток. Зимой
господствуют полярные и арктические воздушные
массы. Полярный континентальный воздух вторгается на территорию с Русской равнины и морских
умеренных воздушных масс с Атлантики. Весной
погода неустойчива. То устанавливается циклон
тропических воздушных масс с юго-запада, то
вторгаются арктические воздушные массы. Осенью
формируется сибирский антициклон.
Важным составляющим исследования ветро­
энергетических ресурсов является ветроэнергетический кадастр, представляющий систему численных характеристик режима ветра. Основными
характеристиками ветроэнергетического кадастра
являются: средняя скорость ветра за многолетний
период; режимы повторяемости скорости ветра;
длительность периода активных ветров; длительность периода безветрия. Зная численные характеристики ветроэнергетического кадастра, можно получить картину работы ветродвигателя. Для этой
цели по данным метрологической станции проанализированы режимы скоростей ветра трех городов,
расположенных в разных регионах Костанайской
области.
Путем обработки полученных материалов вычислены среднемесячные и среднегодовые скорости ветра в различные часы суток интересующих
городов, представленные на рисунках 1–3.
Рис. 1. График среднемесячной и среднегодовой скорости ветра в различные часы суток
за период 2001–2012 гг., город Костанай
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 9, 2013
51
Электротехнические комплексы и системы
Рис. 2. График среднемесячной и среднегодовой скорости ветра в различные часы суток
за период 2001–2012 гг., город Житикара
Рис. 3. График среднемесячной и среднегодовой скорости ветра в различные часы суток
за период 2001–2012 гг., город Аркалык
Среднегодовые значения скоростей ветра мало
изменяются от года к году. Наибольшие отклонения
средней годовой скорости ветра в отдельные годы
от средней многолетней не превышает: по г. Костанай – 0,65 м/сек, что составляет 21,7%; по г. Аркалык – 0,78 м/сек, что составляет 15,3%; по г. Житикаре – 0,47 м/сек, что составляет 12,4%. В годовом
ходе скоростей ветра сохраняется определенная закономерность: наибольшие скорости наблюдаются в зимне-весенний период (максимум в апреле,
феврале, иногда в марте), наименьшие скорости в
летне-осенний период (минимум преимущественно
в августе и сентябре). Немаловажное значение имеет вычисление вероятности скоростей ветра – по
результатам можно судить об обеспеченности скоростей ветра.
Нахождение численных значений обеспеченности направленности скоростей ветра необходимо
для определения производительности и выработки
электроэнергии ветроустановками, для построения
розы ветров. Результаты исследований приведены на
рисунке 4 (а–в).
Критерием экономической стороны использования возобновляемых источников электрической
энергии служит подсчет электроэнергии, выработанной установкой в год. Для этого был произведен расчет электроснабжения среднестатистического дома,
52
который потребляет до 3 кВт в месяц. Для правильного понимания наиболее выгодного региона области была выбрана одна ВЭУ, по которой и производился анализ трех регионов области в отдельности.
Исходя из этого, была взята ВЭУ– 5/5 из ряда многих
средств мощностью до 10 кВт.
По результатам расчетов наблюдается следующее: за год использования ветроэнергии среднестатистической семьей вырабатывается энергия в количестве по г. Костанай – 2 561,5 кВт·ч, по г. Аркалык
– 13 363,3 кВт·ч, по г. Житикара – 5 326,5 кВт∙ч, этого
вполне достаточно для энергоснабжения дома, т. к.
нужно учесть, что приборы, потребляющие энергию, работают не одновременно.
По известной тарификации электроэнергии за
период 2005–2012 годы просчитано, что доход, получаемый в результате экономии энергии, составил по
г. Костанай – 154 544 тенге, по г. Аркалык – 806 267
тенге, по г. Житикара – 321 368 тенге, но фактический
доход оказался бы намного больше, т. к. курс валюты
с 2005 по 2012 г. значительно повысился.
По прогнозам экспертов, для потребителей Костанайской области к 2015 году тарифы увеличатся
по сравнению с 2009 годом в 2,45 раза. При неизменном потреблении электроэнергии затраты будут составлять прогнозируемые расчетные значения, представленные в таблице 1.
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 9, 2013
Electrical facilities and systems
Рис. 4. Роза ветров города Костанай (а), города Аркалык (б) и города Житикара (в)
Таблица 1
Перспективные расчетные значения затрат на расход электроэнергии
среднестатистического потребителя
Год
Потребление
электроэнергии
в год, кВт
Стоимость
1 кВт, тенге
Затраты
на электроэнергию
в год, тенге
2011
78 960
12,40
979 104
2012
78 960
12,80
1 010 688
2013
78 960
12,90
1 018 584
2014
78 960
14,38
1 135 345
2015
78 960
16,69
1 316 842
Всего за 5 лет
Прогнозируемый доход, получаемый в результате экономии энергии за период 2011–2015 гг., рассчитанный по прогнозам экспертов, может составить по
г. Костанай – 177 074 тенге, по г. Аркалык – 923 207
тенге, по г. Житикара – 368 218 тенге. Принимая также во внимание повышение курса валюты, фактический доход окажется намного больше.
Выводы
Проведено исследование энергетического состояния области на сегодняшний день, которое показало, что энергии, вырабатываемой традиционными
методами, в ближайшее время может оказаться недостаточно по многим причинам, поэтому одним из
перспективных мероприятий по снижению энерго­
дефицита является внедрение и развитие возобновляемых и альтернативных источников энергии, в том
числе и ветроэнергетики; проанализирован территориальный потенциал области, дающий возможность
5 460 563
применения ветроустановок; исследованы климатообразующие факторы области, свидетельствующие о том, что на территории Костанайской области
постоянно присутствуют ветра, скорость которых
обеспечит работу ветроустановок при различных режимах их работы; выявлено наличие ветроэнергетических ресурсов области, которое анализировалось
по следующим параметрам: средняя скорость ветра
за многолетний период, режим повторяемости скорости ветра, длительность периода активных ветров,
длительность периода безветрия. На основании произведенных расчетов построена роза ветров для разных регионов области, что имеет важное значение
при установке ветроагрегата.
Данная работа выявила наиболее перспективный регион области в отношении развития ветроэнергии, которым является юго-восток Костанайской области с наибольшим средним значением
ветровой нагрузки – г. Аркалык – 5,1 м/с.
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 9, 2013
53
Электротехнические комплексы и системы
При изучении данной темы затронут как экологический, так и экономический аспекты развития ветроэнергетики области, которые выявили, что применение ветроустановок по всем параметрам выгодно.
Исследованиями доказано, что установка и
применение ветроустановок в Костанайской области приемлемы. К тому же они необходимы области
из-за недостатка энергии и постоянного повышения
стоимости электроэнергии.
Список литературы
1. Отчет: Концепция использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения ЖКХ на пилотных территориях. ПРОЕКТ
ПРООН/ГЭФ «Устранение барьеров для повышения
энергоэффективности коммунального теплоснабжения» [Текст]. – Астана, 2007.
2. Данилов Н.И. Возобновляемая энергетика – альтернативная в электрификации удаленных
районов [Текст] / Н.И. Данилов, С.Е. Щеклеин, В.В.
Велкин, А.Н. Шестак, А.П. Малетин // Эффективная
энергетика. – Екатеринбург: УГТУ, 2001.
Исмагилов Ф.Р.
Ismagilov F.R.
доктор технических наук,
профессор, заведующий
кафедрой «Электромеханика»
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа
3. Щеклеин С.Е. Роль нетрадиционных и возобновляемых источников энергии при реформировании электроэнергетического комплекса Свердловской области [Текст] / С.Е. Щеклеин // Энергетика
региона. – 2001. – № 2.
References
1. Otchet: Koncepcija ispol'zovanija vozobnovljae­
myh istochnikov jenergii v sistemah teplosnabzhenija
ZhKH na pilotnyh territorijah. PROEKT PROON/GJeF
«Ustranenie bar'erov dlja povyshenija jenergojeffektivnokommunal'nogo teplosnabzhenija». – Astana, 2007.
2. Danilov N.I. Vozobnovljaemaja jenergetika –
al'ternativnaja v jelektrifikacii udalennyh rajonov [Tekst]
/ N.I. Danilov, S.E. Shheklein, V.V. Velkin, A.N. Shestak,
A.P. Maletin // Jeffektivnaja jenergetika. – Ekaterinburg:
UGTU, 2001.
3. Shheklein S.E. Rol' netradicionnyh i
vozobnovljaemyh istochnikov jenergii pri reformirovanii
jelektrojenergeticheskogo kompleksa Sverdlovskoj
oblasti. [Tekst] / S.E. Shheklein / Jenergetika regiona. –
2001. – № 2.
Хайруллин И.Х.
Khayrullin I.Kh.
доктор технических наук,
профессор кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа
Вавилов В.Е.
Vavilov V.E.
ассистент кафедры «Электромеханика» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»,
Россия, г. Уфа
УДК 621.313
ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА
НА ЭДС СИНХРОНнОГО ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Статья посвящена исследованию влияния различных причин неравномерностей воздушного зазора
(статических и динамических эксцентриситетов, колебаний ротора) на параметры синхронных генераторов с высококоэрцитивными постоянными магнитами (СГ с ВПМ) на ЭДС холостого хода. Разработан
математический аппарат, позволяющий осуществить данные исследования. Представлены результаты
численного анализа СГ с ВПМ марки NdFeB с параметрами: частота вращения ротора 1500 об/мин, активная длина 180 мм, диаметр ротора 60 мм, воздушный зазор 1,5 мм. На основе результатов расчетов
доказано, что различные дефекты СГ с ВПМ явно отражаются на кривой максимальной амплитуды
54
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 9, 2013