Система мониторинга ветровых электростанций Украины

Размещено на http://allbest.ru

Государственное предприятие «Днепрокосмос»*

Государственное предприятие «ПО ЮМЗ им. А. М. Макарова»**

УДК 504.064.36:574

Система мониторинга ветровых электростанций Украины

В.И. Волошин*,

В.И. Кукушкин**,

А.С. Левенко*

Днепропетровск

Ветроэнергетика получила широкое распространение и является наиболее интенсивно развивающимся сектором мировой энергетики.

Однако, ветровые электростанции имеют особенности:

энергоносителем для ВЭС является не стабильный по характеристикам ветер: в некоторых случаях ветротурбины необходимо выключать для поддержания баланса в единых энергетических сетях, и их невозможно запустить при отсутствии ветра и необходимости увеличить приток электроэнергии в сеть - если в Украине будет достигнута величина выработки электроэнергии за счет ветра 10-30%, то непрогнозируемая остановка нескольких ВЭС будет иметь катастрофические последствия для всей энергетики страны;

ВЭС имеют огромное по сравнению с традиционными генерирующими мощностями количество генераторов (и высокую суммарную реактивную мощность) - что значительно усложняет их эксплуатацию в государственной энергетической системе и может привести к нарушению частоты вырабатываемого тока.

Эти негативные особенности уже сейчас известны энергетикам. Кроме этого, экологические показатели работы ВЭС и отдельных ветротурбин прямо зависят от их параметров, изменяющихся, в основном, от скорости ветра. Взаимосвязанные технические и экологические параметры могут определяться в процессе мониторинга.

Украина стала единственной страной из бывших республик СССР, где налажено производство ветротурбин, осуществляется строительство и промышленная эксплуатация сетевых ветровых электростанций (ВЭС) по государственной программе.

В работе Межведомственного координационного совета по строительству ветровых электростанций принимает участие Национальное космическое агентство Украины, а основу новой отрасли экономики - производство средств ветроэнергетики - составили заводы ракетно-космической отрасли.

В настоящее время серийно производятся ветроагрегаты USW 56-100 и Т600-48, и работают промышленные ветровые электростанции в АР Крым, Донецкой, а также других областях Украины (таблица), проводится опытная эксплуатация отдельных образцов отечественных ветроагрегатов на экспериментальных ВЭС.

К сожалению, экологические последствия строительства и эксплуатации ВЭС в мире изучены недостаточно.

Это вызвано разнообразием ветротурбин, имеющих различные технические параметры, недостаточной информацией о ветропотенциале, и недостаточным вниманием к самим ВЭС, поскольку их вклад в общее производство электроэнергии пока очень мал (максимум в Дании - около 10%, в Украине порядка 0,75% к 2004 г.). Экологический мониторинг ВЭС в Украине не проводится.

Необходимость создания системы мониторинга ветровых электростанций (СМ ВЭС) в Украине вызвана реальным развитием ветроэнергетики и выходом ведущих электростанций, оснащенных ветротурбинами мощностью 56-100 кВт - их изготовлено около 700, - на нижний уровень рентабельного производства электроэнергии.

При этом дальнейшее развитие ВЭС планируется вести с использованием более мощных ветротурбин: монтируются ветроагрегаты мощностью 600 кВт, в перспективе планируется изготовление ветроагрегатов мощностью 2,2 МВт.

Эксплуатация большого количества мощных ветротубин неизбежно приведет к необходимости постоянной оценки их влияния на энергосистему и окружающую природную среду.

К 2004 году Украина заняла 16 место в Европе по установленной мощности ВЭС (из более чем 40 стран) - не имея пока ни одной достроенной полностью ветровой электростанции. В перспективе вклад ВЭС в производство электроэнергии будет повышаться. Также будет повышаться и необходимость кратковременного прогноза выработки электроэнергии, влияния ВЭС на окружающую природу.

Таблица - Общие сведения о работающих ВЭС

Основой эксплуатации СМ ВЭС являются технические характеристики, топографические, климатические данные о ВЭС, карты ветропотенциала и другие сведения, метеоданные на высоте расположения ветротурбин с учетом их текущих изменений по результатам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Кроме стабильных параметров, влияющих на производительность ветротурбины, есть и изменяющиеся во времени. Прежде всего - это скорость ветра. энергетический экологический ветротурбина

Мощность ветрового потока, используемого ветротурбиной, определяется формулой:

Р = Ѕ(F V² r);

где F - площадь, через которую протекает ветровой поток; V - скорость ветра; r???массовая плотность воздуха, определяемая зависимостью:

r--=--(r_{_}--B T₀) / (B₀ T);

где r_??= 0,125 кг сек/м² - массовая плотность воздуха при t₀ = 15⁰C и атмосферном давлении В₀ = 760 мм рт. ст.; Т⁰ и Т - абсолютные температуры воздуха при 15⁰С и в новых условиях.

Из приведенных выше формул следует, что основным параметром, который необходимо определять и прогнозировать в ходе мониторинга - скорость ветра.

Однако, значительное влияние на работоспособность ветроагрегата оказывает также и плотность воздуха. Она определяется:

изменением атмосферного давления;

изменением температуры воздуха (при более низкой температуре воздух плотнее);

увеличением (уменьшением) плотности воздуха при перемещении воздушного потока в зависимости от направления ветра и рельефа поверхности (воздух либо уплотняется, либо становится «рыхлым»).

Последнее обстоятельство указывает на необходимость разработки единой методики мониторинга ВЭС, но ее эффективное применение возможно только по отдельным ветротурбинам с учетом особенностей их расположения.

Мониторинг базируется на определении скорости ветра на высоте расположения конкретных ветротурбин (для USW 56-100 - 18 метров, для Т600-48 - 60 метров) с учетом рельефа местности ветрового поля на основе сведений о перемещениях облаков на различной высоте методом ДЗЗ - подобные методики, например, по данным европейского КА Meteosat, используются при краткосрочном прогнозировании погоды для аэропортов (исследованиями данных КА Meteosat занимается ГНПП «Природа», Киев), разработана методика распознавания облаков на основе пространственной информации (Институт космических исследований НАНУ-НКАУ, Киев). Методика СМ ВЭС должна постоянно уточняться и корректироваться по заверочным данным ветровых электростанций и отдельных ветроагрегатов с целью определения практических коэффициентов для составления краткосрочного прогноза на ближайшие один-два дня.

С целью повышения точности прогноза в части скорости ветра необходимо применить дублирование с использованием иной методики. Такой может быть методика определения приводного ветра в приморской зоне на высоте 18-19 метров, уже опробованная Центром радиофизического зондирования Земли им. А. И. Калмыкова (Харьков). Это возможно, т.к. все мощные промышленные ВЭС Украины пока расположены на побережьях Черного и Азовского морей.

Методика определения перемещения зон атмосферного давления в Украине разработана, например, Морским гидрофизическим институтом НАНУ (Севастополь). На основе подобной методики возможно определение атмосферного давления на ветровых площадках.

Изменение плотности воздушного потока в зависимости от направления и скорости ветра в условиях конкретного рельефа может определяться по математическим зависимостям.

С учетом прогноза температуры, давления и скоростного изменения плотности воздуха для конкретной ветротурбины будет составляться перспективный краткосрочный прогноз плотности воздуха: в сочетании с прогнозом скорости ветра это даст максимально точный прогноз выработки электроэнергии ветроагрегатом и данных по экологическим составляющим в этом прогнозе.

СМ ВЭС, по примеру уже существующих систем мониторинга природно-техногенных процессов, например в Российской Федерации, может использовать ГИС-технологии с применением данных ДЗЗ в части перемещений воздушных масс и визуального контроля за количеством введенных в эксплуатацию сотен ветроагрегатов, что важно при долговременном строительстве, характерном для ВЭС.

Создание СМ ВЭС позволит решить задачу мониторинга ветроэлектростанций Украины в режиме текущего времени и краткосрочного прогнозирования с сохранением данных в архиве. Для чего будут использованы сведения самих ВЭС (технические и экологические характеристики каждой ветротурбины в зависимости от ее типа, скорости и направления ветра, характеристики ветровых полей и всей ВЭС в зависимости, в т.ч., от количества работающих турбин; данные рельефа местности и высоты расположения ветроагрегатов над уровнем моря и т.п.), а также текущие значения ветропотенциала, контролируемые ДЗЗ по перемещению воздушных потоков. Визуальный контроль ДЗЗ даст дополнительную информацию о количестве одновременно работающих ветротурбин. Анализ полученных данных позволит определять выработку электроэнергии и экологическую составляющую при эксплуатации ВЭС.

СМ ВЭС может собирать, обобщать и распространять информацию о технических параметрах работы ВЭС Украины и осуществлять информационное обеспечение при выборе параметров и зон строительства новых ВЭС с учетом ветропотенциала, расположения населенных пунктов (рисунок).

Технология мониторинга должна позволять обеспечивать:

построение цифровой модели текущей эксплуатации ВЭС в едином энергопотенциале Украины в режиме реального времени по данным ДЗЗ с заверкой по данным ВЭС;

краткосрочный прогноз выработки электроэнергии на ближайший период (например - прогноз на один-два дня) по данным о перемещении воздушных масс (облаков) для принятия управленческих решений;

проведение анализа влияния ВЭС на окружающую природную среду в зависимости от местонахождения и технических параметров по реальной скорости ветра;

получение полной информации по ветроэнергетике Украины и ее составляющим, вплоть до интенсивности строительства ВЭС;

макетирование процессов с наложение различных параметров на карты Украины.

Принцип манипулирования и математического моделирования (до модели эксплуатации отдельно взятой ветротурбины) с использованием топографических карт-основ и данных ДЗЗ позволит осуществить:

Рисунок - Общая схема СМ ВЭС

управление единой энергосистемой страны с учетом прогноза выработки электроэнергии ВЭС;

накопление и систематизацию информации о работе ВЭС в виде унифицированных параметров для оценки технических и экологических характеристик (в т.ч. изменяющихся во времени - шум, вибрация, инфразвук и пр.);

накопление и анализ данных о ВЭС, их экономической эффективности и экологической безопасности;

прогноз степени вероятности ситуаций техногенных и экологических катастроф в результате эксплуатации ВЭС.

СМ ВЭС позволит на основе опыта исследований сформулировать и продемонстрировать решение научно-технических и практических задач по строительству и эксплуатации ВЭС (с уточнением критериев и экологических норм) с максимальной эффективностью.

Научно-методические материалы и пакет программ могут накапливаться в базах данных (БД) и на автоматизированных рабочих местах (АРМ), образуя совокупность атрибутивных данных, цифровых карт, схем, таблиц, фотоснимков, которые объединены в следующие БД:

БД ВЭС Украины;

БД климатических, природных, энергетических и пр. сведений;

БД нормативов;

БД снимков ДЗЗ.

Управление БД и интеграция сведений в соответствии с поступающими запросами должна осуществляться сервером СМ ВЭС, откуда информация через сеть интернет может передаваться пользователям.

Основные результаты, которые могут быть достигнуты при внедрении научно обоснованной системы мониторинга ветровых электростанций Национальным космическим агентством Украины и Национальной академией наук Украины:

краткосрочное прогнозирование выработки электроэнергии ВЭС на заданный период с целью принятия управленческих решений в энергетической системе Украины.

получение прогноза экологической безопасности работы каждой ВЭС в ближайший период на основе постоянного сравнения результатов моделирования по данным ДЗЗ с показателями диспетчерских компьютеризированных систем ветровых электростанций;

обеспечение эффективного ресурсопользования с соблюдением экологических норм при строительстве ветровых электростанций Украине.

Все это позволит на научной основе развивать ветровую энергетику как экологически безопасную хозяйственную деятельность на основе возобновляемых природных ресурсов.

Перечень ссылок

1. Волошин В. И., Левенко А. С. Система экологического мониторинга ветровых электростанций Украины с использованием ДЗЗ // Четвертая Украинская конференция по космическим исследованиям. Сборник тезисов. Национальная академия наук Украины, Институт космических исследований НАНУ-НКАУ. - 2004. - С. 170.

2. Куссуль Н.Н., Пасечник В.И. Обработка космических снимков КА «Meteosat» с помощью нейронных сетей // Четвертая Украинская конференция по космическим исследованиям. Сборник тезисов. Национальная академия наук Украины, Институт космических исследований НАНУ-НКАУ. - 2004. - С. 238.

3. Левенко А. С. Энергия солнца и ветра. Расчеты, проектирование и использование экологически чистых преобразователей энергии. - Днепропетровск: ИМА-пресс, 2003. - 64 с.

4. Кукушкін В.І., Богма В.М., Жабський Ю.В. Створення вітроенергетичного напрямку у промисловості України і будівництво вітроелектростанцій як екологічно чистої галузі енергетики // Бюлетень Міжгалузевого науково-технічного центру вітроенергетики «Вітроенергетика України». - 2002. - №1. - С. 5-6.

5. Бабенко Г.О., Богма В.М., Васько П.Ф., Кукушкін В.І. Вітроенергетичний комплекс України - досягнення, проблеми, перспективи. // «Новини енергетики», спеціальний випуск, серпень 2003. - с. 1-15.

6. Бриль А. О., Васько В. П., Васько П. Ф. Задача компенсації реактивної енергії введених в експлуатацію вітрових електростанцій // Бюлетень Міжгалузевого науково-технічного центру вітроенергетики «Вітроенергетика України». - 2002. - № 2. - С. 12-15.

7. Мартазінова В.Ф. Довгостроковий прогноз вітроенергетичних зон на території України // Бюлетень Міжгалузевого науково-технічного центру вітроенергетики «Вітроенергетика України», квітень-травень. - 2001. - С. 5-6.

8. Богатиков О.А., Веселовский А.В., Маханова Т.М., Мещерякова В.Б. Геоинформационная систем для оценки опасности катастрофических вулканических процессов // Российский журнал наук о Земле. - 2001. - №6.

9. ГКД 341.003.003.003.-2000. Вітроенергетика. Площадки для вітрових електричних станцій. Вимоги щодо вибору. - Київ.: Міністерство палива та енергетики України, 2001.

10. Годовой отчет по итогам работы за 2001 г. Государственное предприятие «Донузлавская ветровая электростанция». Министерство топлива и энергетики Украины, АР Крым, Евпатория, 2002 .

Размещено на Allbest.ru