Анализ ветроэнергетического потенциала Монголии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО "Научный исследовательный университет МЭИ"

Анализ ветроэнергетического потенциала Монголии

Э. Цэрэндолгор, Г.В. Дерюгина

Аннотация

Состояние вопроса: В Монголии, дефицит электроэнергии составляет около 20%, который покрывается за счет импорта электроэнергии из России. Снизить величину импорта можно за счет использования местных ресурсов, например, энергии ветра. Оценка ветрового потенциала Монголии была выполнена в 2001 году и он составляет около 8 трлн кВт.ч в год на высоте 30 м [1]. Для выбора перспективных площадок размещения крупных ветроэлектрических станций (ВЭС) необходимо иметь полную информацию по ветровым ресурсам на разной высоте от поверхности земли. В данной работе проводится расчет и анализ ветровых ресурсов по всей территории Монголии по фактическим многолетним рядам наблюдений наземных метеостанций с сайта «Расписание Погоды» [2] и их моделирование на высоту оси ветроколеса по данным аэрологических метеостанций.

Материалы и методы: Ряды наблюдений за скоростью и направлениями ветра на площадках наземных метеостанций с сайта “Расписание Погоды”, статическая обработка данных, математическое моделирование.

Результаты: Валовой ветроэнергетический потенциал Монголии по данным наземных метеостанций с сайта «Расписание Погоды», эмпирические зависимости вертикального профиля ветра по данным аэрологических метеостанций, многолетние характеристики ветра, карты распределения ветровых ресурсов по территории страны, перспективные площадки для размещения ВЭС, энергоэффективные варианты ВЭУ.

Выводы: Полученные результаты могут быть применены в проектных организациях на ранних стадиях проектирования при выборе площадок для размещения ВЭС, а также при проведении ветроэнергетических расчетов.

Ключевые слова: энергия ветра, вертикальный профиль ветра, коэффициент Хеллмана, ветроэлектрическая станция, ветроэлектрическая установка.

Abstract

Background: In Mongolia, the electricity deficit is about 20%, which is covered by the import of electricity from Russia. Reduce the value of imports can be through the use of local resources, such as wind energy. Wind resource potential of Mongolia was fulfilled in 2001 and it is about 8 trillion kWh per year at the 30-m height [1]. To select promising sites for the location of large wind power plants, it is necessary to have complete information on wind resources at different heights from the surface of the earth. In this paper, we calculate and analyze wind resources throughout Mongolia according to actual long-term series of observations of ground-based weather stations from the "Reliable Prognosis" site [2] and their simulation to the height of the wind wheel axis according to upper-air meteorological stations.

Materials and Methods: Data series of wind speed & direction observations at ground weather stations from the "Reliable Prognosis" website, static data processing, mathematical modeling.

Results: Gross wind energy potential of Mongolia according to site “Reliable Prognosis”, empirical dependencies of the wind shear according to upper-air meteorological stations, long-term wind characteristics, wind resource maps across the country, promising sites for the location of large wind power plants, energy efficient variations of wind turbine.

Conclusions: The obtained results can be applied in the design organizations at the preliminary stages of project development when choosing wind power plant sites, as well as for wind energy calculations.

Keywords: wind energy, wind shear, Hellman coefficient, wind power plant, wind turbine.

Потребности Монголии в электроэнергии обеспечиваются в основном за счет внутреннего производства: в стране работают 7 угольных электростанций, 13 ГЭС, дизельные электростанции, малые солнечные коллекторы и ветроэнергетические установки. Дефицит электроэнергии в стране составляет около 20%, из них примерно 13% обеспечивается за счет импорта из России. Также импортируется электроэнергия из Китая. Электроэнергия широко доступна для бытового и промышленного потребления в городских центрах Монголии, но менее доступна за пределами этих центров, где энергетическая инфраструктура недостаточно развита. В Монголии функционируют четыре независимых энергосистемы: Центральная энергосистема (ЦЭС), Западная энергосистема (ЗЭС), Восточная энергосистема (ВЭС) и Алтай-Улиастайская энергосистема (АУЭС). Текущая общая потребность ЦЭС в электроэнергии составляет примерно 730 МВт (включая нагрузку медного рудника Эрдэнэт), или примерно 95% от общей нагрузки в стране. В регионе ЦЭС общая установленная мощность производства электроэнергии равна 826,3 МВт по сравнению с пиковым спросом в размере примерно 729 МВт. ЦЭС также соединена с энергосистемой Российской Федерации. Основная проблема ЦЭС заключается в том, что крупнейший энергоблок мощностью 100 МВт обеспечивает только около 20% средней нагрузки в зимний период. Иногда этот энергоблок выходит из строя, что ведет к возникновению сильного дефицита электроэнергии. В такой ситуации энергоустановки не могут быстро адаптироваться к изменениям требований по нагрузке. Дефицит электроэнергии покрывается за счет выборочного сокращения нагрузки по принципу ротации или покупки электроэнергии у России. [3]. Снижение энергодефицита на территории Монголии возможно за счет строительства крупных сетевых солнечных и ветровых электрических станций.

Монголия обладает богатыми ресурсами ВИЭ и имеет благоприятные климатические и погодные условия для их эффективного использования. По данным ветрового атласа Монголии, 10% общей территории страны или 160 тыс.км² оценивается как пригодная для целей ветроэнергетики. По оценкам, ветровые потенциалы 12-и аймаков (территориально-административное деление страны) составляют более 20.000 МВт и 9-и аймаков - более 50.000 МВт. Самым крупным ветровым потенциалов свыше 300.000 МВт обладает аймак Умнеговь.

Для оценки перспективности строительства крупных ветроэлектрических станций (ВЭС) в Монголии был проведен подробный расчет и анализ ветровых ресурсов на всей территории Монголии по многолетним рядам наблюдений (с 1995 г. по н.в.) 61-й наземных метеостанций с сайта «Расписание Погоды» [3]. Расположение метеостанций по территории Монголии показано на рис. 1, они охватывают всю территорию Монголии, в том числе и удаленные и труднодоступные районы. На площадках 61-й МС Монголии на высоте 10 м были рассчитаны основные многолетние энергетические характеристики ветра: среднемноголетняя скорость ветра V_o, удельная валовая мощность N_уд, коэффициент вариации С_V, повторяемости скорости и направлений ветра. Многолетние энергетические характеристики ветра меняются в широком диапазоне: V_o от 1,16 м/с (МС Гандан Хурии) до 4,98 м/с (МС Мандалгоби); N_уд: 0,03-0,25кВт/м²; С_V 0,056-0,209. На рис. 2 и 3 показаны многолетние повторяемости скорости и направлений ветра по данным отдельных МС. На основе результатов расчета были построены карты с распределением среднемноголетней скорости ветра (рис. 4). Как видно, наиболее перспективно использование энергии ветра на юге и востоке Монголии.

Более детальный анализ полученных результатов позволил выявить наиболее перспективные регионы Монголии для использования энергии ветра: на юге Монголии: Гоби - Средне-Гобийский (Дундгоби) аймак, Южно-Гобийский (Омногоби) аймак, Восточно-Гобийский (Дорногоби) аймак, Баянхонгорский аймак, Гоби-Алтайский аймак; на востоке Монголии - Хэнтийский (Хэнтий) аймак, Восточный (Дорнод) аймак, Сухэ-Баторский (Сухбаатар) аймак.

Рис. 1. Расположение наземных метеостанций по территории Монголии

Рис. 2. Многолетние повторяемости направлений ветра по данным отдельных МС

Рис. 3. Многолетние повторяемости скорости ветра по данным отдельных МС

Рис. 4. Карта с изолиниями постоянных значений среднемноголетней скорости ветра на высоте 10 м по территории Монголии

По фактическим данным 61-ой МС был определен валовой потенциал ветровой энергии всей территории Монголии Э_вал [4] на высоте 10 м по формуле:

(1)

где k - количество районов, на которые разбита территория Монголии; i - номер района, Э_удi - средняя (по данным всех МС из этого района) удельная валовая мощность ветра в i-м районе, F_i - площадь i-ого района. Результаты расчета представлены в таблице 1.

Таблица 1 Расчет валового потенциала ветровой энергии всей Монголии на высоте 10 м

Валовой потенциал ветровой энергии на высоте 10 м всей Монголии составляет трлн около 78 трлн кВт.ч в год.

Также был рассмотрен вопрос энергетической эффективности различных моделей ветроэлектических установок (ВЭУ) на одной из выбранных перспективных площадок под размещение ветроэлектрической станции (ВЭС) - недалеко от МС Мандалгоби с доступной площадью 12 км². Выбор площадки ВЭС был сделан с учетом возможности присоединения к электрической сети, транспортной доступности и учета экологических условий.

Поскольку данные о поступлении ветровой энергии в свободном доступе могут быть получены только для высоты 10 м, а выработка ВЭС определяется по данным на высоте оси ветроколеса, то необходимо располагать либо фактическими данными на высоте оси ветроколеса ВЭУ (ветромониторинг), либо математическими моделями вертикального профиля ветра. Большинство известных математических моделей вертикального профиля ветра основаны на эмпирических формулах и коэффициентах, справедливых только для определенной территории. Ввиду отсутствия фактических данных наблюдений на разной высоте в условиях выбранной площадки ВЭС моделирование ряда скорости ветра по высоте проводилось по степенному закону с использованием математической модели определения коэффициента степени (показателя Хеллмана) по разработанной методике на кафедре ГВИЭ НИУ «МЭИ» [5].

Математическая модель коэффициента степенной зависимости вертикального профиля ветра на выбранной площадке ВЭС была получена по данным аэрологической метеостанции аналога (АМС). Выбор АМС в качестве аналога производился из 4-х АМС, расположенных на территории РФ в приграничной зоне с Монголией, в радиусе до 1000 км от выбранной площадки ВЭС из СБД «Вертикальный профиль ветра» [6] (табл.2). В качестве аналога была выбрана АМС Иркутск по двум критериям: минимальное расстояние от АМС до МС Мандалгоби; минимальное среднеквадратичное отклонение годовой вариации скорости на площадке АМС от годовой вариации на МС Мандалгоби (на высоте 10 м). В табл. 3 и на рис. 5 представлены годовые вариации скорости ветра на площадках АМС и МС Мандалгоби.

Таблица 2 Координаты ближайших АМС от площадки ВЭС

Таблица 3 Годовые вариации среднемесячной скорости (в о.е.) на площадках АМС, рассматриваемых в качестве аналога для МС мандалгоби

Математическая модель коэффициента степенной зависимости вертикального профиля ветра по данным АМС Иркутск была определена по разработанной методике на кафедре ГВИЭ НИУ «МЭИ» в виде эмпирической зависимости среднемесячных показателей Хеллмана m_l от среднемесячной скорости ветра V_l - на высоте 10 м: ml= 0,6739Vl-0,728 (рис.6).

Рис. 5. Многолетние годовые вариации скорости ветра на площадках АМС и МС Мандагоби

Рис. 6. Табулированная и эмпирическая зависимости среднемесячных показателей Хеллмана m_l от среднемесячной скорости ветра V_l^- на высоте 10 м по данным АМС Иркутск

Был проведен детальный расчет и анализ ветровых ресурсов для условий площадки ВЭС на разной высоте по данным МС Мандалгоби и АМС Иркутск. На рисунке 7 приведена многолетняя вариация средней скорости ветра на площадке ВЭС.

Выбор энергоэффективных моделей ВЭУ для условий площадки ВЭС производился по критерию максимального значения коэффициента использования установленной мощности ВЭУ kиум из 16-и предварительно отобранных вариантов в соответствии с IEC 61400-1 по данным СБД «Современное ветроэнергетическое оборудование». В качестве дополнительного критерия использовался показатель удельной энергии с единицы ометаемой площади ЭВЭУуд по ГОСТ Р 51991-2002. Годовая выработка единичных ВЭУ Эвэу определялась по их паспортным энергетическим характеристикам. Наиболее энергоэффективные варианты ВЭУ с разной высотой башни представлены в таблице 4.

Рис. 7. Многолетняя вариация средней скорости ветра на площадке ВЭС

Рис. 8. Многолетняя «роза ветра» на площадке ВЭС

Таблица 4 Основные характеристики наиболее энергоэффективных вариантов ВЭУ

В качестве наиболее энергетически эффективной модели ВЭУ для дальнейших исследований выбран вариант ВЭУ модели Made G90.

Выбор схемы размещения ВЭУ на площадке ВЭС производился с учетом топографии площадки и преобладающего направления ветра (рис. 9). Выбрана расстановка ВЭУ в два ряда, расстояние между ВЭУ вдоль преобладающего направления ветра 10D_вк и перпендикулярно - 6D_вк (D_вк -диаметр ветроколеса)..При такой схеме на выбранной площадке возможно разместить 25 единичных ВЭУ. Уточненная выработка ВЭС мощностью 50 МВт с учетом различных видов потерь (около 11,5% ) составляет 174524 МВт•ч в год.

Выводы:

1. Валовой потенциал ветровой энергии Монголии на высоте 10 м составляет 77692,6 млн кВт.ч в год.

2. Построены карты распределения среднемноголетней скорости ветра и удельной мощности на высоте 10 м. Анализ карт вывил, что наиболее перспективно развитие ветровой энергетики в южных и восточных регионах Монголии.

3. Для условий выбранной площадки осуществлен выбор энергоэффективной модели ВЭУ, схемы размещения ВЭУ на площадке и определено максимально возможное количество ВЭУ для размещения на площадке.

Рис. 9. Схема размещения ВЭУ на площадке ВЭС

метеостанция ветровой аэрологический

Список литературы

1. D. Elliott, M. Schwartz, G. Scott, S. Haymes, D. Heimiller, R. George Wind Energy Resource Atlas of Mongolia August 2001 * NREL/TP-500-28972. -132 с.

2. Российский метеорологический сайт «Расписание Погоды»

3. Секретариат энергетической хартии, Углублённый обзор по инвестиционному климату и структуре рынка в энергетическом секторе Монголии. - 2013. - 66 с.

4. Виссарионов В.И., Кузнецова В.А., Дерюгина Г.В., Малинин Н.К., Шван Д.Э., Расчет ресурсов ветровой энергетики: учебное пособие /-М: Издательство МЭИ, - 1997 г. -15 с.

5. Дерюгина Г.В., Малинин Н.К., Пугачев Р.В., Шестопалова Т.А. Основные характеристики ветра. Ресурсы ветра и методы их расчета: учебное пособие /-М: Издательство МЭИ, - 2012 г. -52 с.

6. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620870. Специализированная база данных «Вертикальный профиль ветра» / Васьков А.Г., Дерюгина Г.В., Тягунов М.Г., Чернов Д.А.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" - №2012620664; заявл. 28.06.2012; опубл. 28.08.2012

Размещено на Allbest.ru