Из предыдущих расчетов по оценке эффективности ВЭУ и СЭС было видно, что при малых скоростях ветров и низких значениях солнечной радиации в наших условиях, приходилось брать установки большей мощности для того чтобы закрыть суточную потребность (48кВт*ч) в энергии. Приведу несколько примеров. На рис. 6 представлен график зависимости среднестатистической ветроустановки. Как видно из графика ветроустановка в 3кВт выходит на нормальный режим при скоростях 9-10 м/с. В среднем у большинства ветроустановок он колеблется от 7 до 12 м/с. Следовательно, нужно стремиться подбирать такое место расположения, чтобы скорость ветра была максимальной. Исключать завихрения воздушного потока вблизи турбины. Высота расположения ветряной турбины на мачте должна превосходить на 10 м все высотные объекты в пределах 100 м вокруг. Это касается, например, и столбов, и проводов ЛЭП.
Использовать природные преимущества рельефа местности. Дело в том, что ущелья и каньоны являются естественными аэродинамическими трубами и в местах их сужения скорость ветра существенно возрастает.
Располагать ВЭС на максимально открытых участках, таких как поле, побережье водоёма или вершина холма
Рис. 6 – Зависимость мощности от скорости для ВЭУ на 3 кВт.
Так же стремиться выбирать ВЭУ, выходящих на номинальный режим при меньших скоростях ветра.
Так же важный энергетический показатель «Повторяемость различных градаций скорости ветра» можно рассматривать как процент времени, в течение которого наблюдалась та или иная градация скорости ветра. Повторяемость скорости ветра по градациям представляет собой временную характеристику скорости ветра. Эта характеристика важна для ветроэнергетических расчетов, связанных с оценкой интервалов времени работы ветроэлектростанции при различных скоростях ветра. В качестве примера распределения ветрового потенциала в течение года по градациям в таблице 1 приведены данные метеостанции Александровское Томской области.
|
|
Таблица 1 - Повторяемость (%) различных градаций скорости ветра
Данные снимались на высоте 10, соответственно, чтобы увеличить процент рабочих скоростей ветров, нужно увеличить уровень расположения ветроустановки.
Согласно действующему законодательству РФ, генерирующие мощности одной единицы, не превышающие мощность 250 кВт, не требуют специальных разрешений и согласований.
Так же по действующему Законодательству РФ, объекты высотой до 50м не требуют разрешений.
Согласно предыдущей оценке ВЭУ, мы подобрали вертикальный ветрогенератор ОМ-5000, к сожалению данный ветрогенератор снят с производства. Подберем ближайший аналог со схожими характеристиками. В качестве примера возьмем ветрогенератор VAWT 3/4 кВт. Данный ветрогенератор согласно рис.6 выходит на номинальный режим при скорости ветра 10м/с.
Сопоставляя с градацией скорости ветра сведем в таблицу возможность ветрогенератора вырабатывать электроэнергию при различных скоростях.
Так же сравним вертикальный и горизонтальный ветрогенераторы на 3кВт.
Таблица 2 – Суммарная выработка мощности при различных скоростях ветра вертикального ветрогенератора VAWT-34-48, кВт.
| Скорость ветра, м/с | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| 48,384 | 47,664 | 46,08 | 44,64 | 44,64 | 45,792 | 51,84 | 38,304 | 52,272 | 47,808 | 46,08 | 49,68 | 563,1 | |
| 131,328 | 137,664 | 146,304 | 157,248 | 180,864 | 171,648 | 129,024 | 135,936 | 149,76 | 173,376 | 163,008 | 135,936 | 1812,0 | |
| 112,32 | 112,32 | 123,12 | 137,16 | 153,36 | 132,84 | 84,24 | 86,4 | 103,68 | 130,68 | 153,36 | 112,32 | 1441,8 | |
| 64,8 | 66,6 | 77,4 | 97,2 | 111,6 | 88,2 | 50,4 | 59,4 | 75,6 | 82,8 | 104,4 | 55,8 | 934,2 | |
| 15,12 | 7,56 | 5,04 | 10,08 | 15,12 | 10,08 | 5,04 | 5,04 | 5,04 | 7,56 | 7,56 | 7,56 | 100,8 | |
| 8,64 | 5,76 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 5,76 | 2,88 | 43,2 | ||
| 2,88 | 28,8 | 5,76 | 37,4 | ||||||||||
| 2,88 | 2,88 | 5,7 | |||||||||||
| Итого | 380,5 | 380,4 | 429,6 | 449,2 | 511,3 | 457,2 | 323,4 | 325,1 | 389,2 | 447,9 | 480,2 | 380,5 |
Таблица 3 – Суммарная выработка мощности при различных скоростях ветра для горизонтального ветрогенератора 3kW-48V STORM USE, кВт.
|
|
| Скорость ветра, м/с | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| 47,664 | 46,08 | 44,64 | 44,64 | 45,792 | 51,84 | 38,304 | 52,272 | 47,808 | 46,08 | 49,68 | 563,184 | 47,664 | |
| 189,288 | 201,168 | 216,216 | 248,688 | 236,016 | 177,408 | 186,912 | 205,92 | 238,392 | 224,136 | 186,912 | 2491,632 | 189,288 | |
| 149,76 | 164,16 | 182,88 | 204,48 | 177,12 | 112,32 | 115,2 | 138,24 | 174,24 | 204,48 | 149,76 | 1922,4 | 149,76 | |
| 79,92 | 92,88 | 116,64 | 133,92 | 105,84 | 60,48 | 71,28 | 90,72 | 99,36 | 125,28 | 66,96 | 1121,04 | 79,92 | |
| 8,208 | 5,472 | 10,944 | 16,416 | 10,944 | 5,472 | 5,472 | 5,472 | 8,208 | 8,208 | 8,208 | 109,44 | 8,208 | |
| 5,76 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 2,88 | 5,76 | 2,88 | 43,2 | 5,76 | ||
| 2,88 | 28,8 | 5,76 | 37,44 | 2,88 | |||||||||
| 2,88 | 2,88 | 5,76 | |||||||||||
| Итого | 483,48 | 541,44 | 574,2 | 653,904 | 584,352 | 410,4 | 417,168 | 495,504 | 573,768 | 613,944 | 464,4 | 483,48 |
Как видно из таблицы 2 и 3, один ветрогенератор на 3кВт способен суммарно за год выдавать 4938 кВт*ч и 6294 кВт*ч на высоте 10м в близи метеостанции Александровское. Что недостаточно при годовой потребности в 17250 кВт*ч и составляет всего 28% и 36% от необходимого. Целесообразно взять более мощный ветрогенератор, так как мы можем установить только два ветрогенератора на одной мачте. Как видно из таблиц, целесообразней брать горизонтальный ветрогенератор, как наиболее распространенные в России и намного дешевле. К сожалению, при всех преимуществах вертикальных, в России сложно найти ветрогенератор при низких скоростях страгивания. Горизонтальные, горазда легче, у них выше кпд, меньший расход материала и следовательно они дешевле.
|
|
Полная стоимость комплектного оборудования четырех вертикальных ВЭУ для метеостанции Александровское в среднем составит 4*349000р =1396000р по 3 кВт, чтобы закрыть годовую потребность в 17250кВт. Стоимость проектных работ составит 27600р. Стоимость строительных работ приблизительно 55840р. Ежегодные затраты на обслуживание одной установки 13800р. Затраты на ремонт 19454р.
Приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности составят 25337р.
Себестоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии:
;
р/кВт*ч
Себестоимость 1 кВт*ч равна 4.78 р/кВт*ч.
Полная стоимость комплектного оборудования трех горизонтальных ВЭУ для метеостанции Александровское составит в среднем 3*195000=585000р по 3кВт соответственно. Стоимость проектных работ составит 27600р. Стоимость строительных работ приблизительно 23400р. Ежегодные затраты на обслуживание одной установки 13800р. Затраты на ремонт 8152 р.
Приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности составят 14077р.
Себестоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии:
;
р/кВт*ч
Себестоимость 1 кВт*ч равна 2.15 р/кВт*ч.
Согласно предыдущей оценке СЭС мы знаем, что за месяц (сентябрь) одна солнечная панель на 100Вт способна выдавать всего 4,5кВт*ч, за год же всего 55кВт*ч.
Следовательно определяем полную мощность СЭС при недостающем 21,6кВт*ч в сутки (7883кВт*ч в год):
где W − среднесуточное потребление электроэнергии объектом электроснабжения, кВт⋅ч;
кВт
Если 14,4 кВт поделить на 100Вт, то получим 144 солнечных модулей общей площадью 97 м2, при общей стоимости в 636480р.
Полная стоимость комплектного оборудования СЭС Куст.уд =636480р.
Стоимость проектных Кпр работ по определению месторасположения и установки станции на местности для СЭС всех районов принята одинаковой:
Стоимость строительных Кстр работ приближенно определена с помощью коэффициента затрат на установку станции.
При КР = 0,04, затраты на строительные и монтажные работы по установке станции на местности составят около 25459 р. Эксплуатационные затраты на обслуживание станций Сэкс во всех районах приняты одинаковыми:
Эксплутационные расходы на ремонт приближенно определены с помощью коэффициента затрат на ремонт, принятого в расчетах равным 0,2.
Срем = крем *рн (Куст + Кстр) = 0,2*0,067*(6364800+25459) = 8869 р
Приведенные годовые затраты на 1 кВт установленной мощности системы электроснабжения, определяются из выражения:
где Р – установленная мощность объекта электроснабжения (кВт); С – общие годовые эксплутационные расходы (р.).
р
Для рассматриваемых станций они составят 3002 р. на 1 кВт установленной мощности рублей при среднем сроке службы оборудования 15 лет. Себестоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрической станцией, можно определить из выражения:
где 
− общее количество электрической энергии, вырабатываемое электростанцией в течение года, кВт⋅ч; Рм – пиковая мощность солнечного модуля, Вт; n – общее количество модулей. Солнечная электростанция, мощностью 14,4 кВт (144 модулей по 100 Вт), обладающим наибольшей годовой суммой суммарной солнечной радиации при средних условиях облачности Е = 1104 кВт⋅ч/м2).
кВт⋅ч (за год).
Как видно из расчетов за год может выработать 7948,8 кВт⋅ч электрической энергии при потребности в 17520 кВт⋅ч(учитывая суточную потребность в 48 кВт⋅ч). Т.е. полностью закроет необходимую мощность с учетом ВЭУ в 9367 кВт*ч.
р/кВт*ч
Вывод: как мы видим гораздо рентабельнее использовать ВЭУ, по сравнению с СЭС. К тому же солнечные панели занимают большие площади (97 м2). Но тут есть нюансы, у ВЭУ в летний период наблюдается спад выработки энергии, а у СЭС в зимний. Произведем расчеты с этими параметрами.
Выбор ВЭУ и СЭС для ГЭК
Для начала сравним две характеристики потенциалов ветра и солнца.
Таблица 4 – Среднемесячная скорость ветра в Томской области, м/с.
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 3,35 | 3,4 | 3,7 | 3,7 | 4,1 | 3,9 | 3,1 | 3,4 | 3,9 | 3,8 | 3,6 | 3,58 | |
| Колпашево | 3,4 | 3,5 | 3,8 | 3,7 | 4,1 | 3,55 | 2,75 | 2,8 | 3,3 | 3,7 | 3,55 | ||
| Томск | 4,25 | 4,15 | 4,2 | 3,6 | 3,45 | 2,9 | 2,7 | 2,7 | 3,3 | 3,9 | 4,1 | 4,1 | 3,61 |
Таблица 5 - Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации при средних условиях облачности, кВт⋅ч/м
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 10,6 | 31,4 | 80,3 | 123,9 | 151,7 | 163,9 | 165,6 | 112,8 | 31,9 | 13,3 | 5,83 | ||
| Колпашево | 17,5 | 38,3 | 94,2 | 132,5 | 145,3 | 160,6 | 170,8 | 122,2 | 73,3 | 33,6 | 17,5 | 10,6 | |
| Томск | 20,8 | 43,1 | 97,8 | 128,1 | 154,7 | 171,1 | 130,3 | 86,1 | 40,8 | 22,2 | 13,9 |
Определим мощность ВИЭ в каждый из периодов и сведем в таблицу 6 и 7.
Для ВЭУ мы можем взять три по 3кВт или два по 5кВт горизонтального ветрогенератора 5/7 KW-48V LOW WIND. Согласно зависимости на рис. 7 сведем данные в таблицу 6.
Рис.7 – Зависимость мощности от скорости для ВЭУ на 5 кВт
Таблица 6 - Месячные и годовые суммы выработки энергии одного ветрогенератора 5/7 KW-48V LOW WIND, кВт⋅ч
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | |||||||||||||
| Колпашево | |||||||||||||
| Томск |
Таблица 7 - Мощность одной панели на 100Вт выдаваемая в заданный период (кВт*ч)
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 0,53 | 1,57 | 4,01 | 6,19 | 7,58 | 8,19 | 8,28 | 5,64 | 3,25 | 1,6 | 0,67 | 0,29 | 47,8 |
| Колпашево | 0,87 | 1,92 | 4,71 | 6,62 | 7,26 | 8,03 | 8,54 | 6,11 | 3,67 | 1,68 | 0,87 | 0,53 | 50,8 |
| Томск | 1,04 | 2,15 | 4,89 | 6,4 | 7,74 | 8,56 | 8,5 | 6,51 | 4,31 | 2,04 | 1,11 | 0,69 | 53,9 |
В таблице 7 приведены данные по выделяемой мощности одной панели на 100Вт выдаваемая в заданный период (месяц, год) в зависимости от суммы суммарной солнечной радиации (см. таблица 5).
Сведем все данные в график (рис.6), предполагая, что ветрогенераторы в летний период будут выдавать меньшую мощность и компенсировать недостающую энергию при помощи солнечных панелей. Зная, что в летний период выработка энергии от солнца в разы больше Потребность энергии в сутки равно 48кВт*ч и 1488кВт*ч в месяц. Соответственно один ветрогенератор должен вырабатывать 744кВт*ч в месяц и в случае проседание недостающую мощность компенсировать солнечными панелями.
Рис.8 – График среднемесячной выработки мощности двух ветрогенератора 5/7 KW-48V LOW WIND и 30 панелей ФСМ-100М.
Как было видно из таблицы 7 самими низкими точками выработки мощности ВЭУ были июль и август с 450кВт*ч при необходимой 744кВт для одной установки. Следовательно нам недостает 294кВт, а это 30 солнечных панелей ФСМ-100М.
Таблица 8 - Мощность 30 панелей на 100Вт (кВт*ч)
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 15,8 | 47,1 | 97,5 | 47,9 | 8,75 | ||||||||
| Колпашево | 26,2 | 57,5 | 50,4 | 26,2 | 15,8 | ||||||||
| Томск | 31,2 | 64,6 | 61,2 | 33,3 | 20,8 |
Суммируем мощности ВЭУ из двух 5/7 KW-48V LOW WIND и СЭС из 30 панелей в таблицу 9 и представим на графике (рис.7).
Таблица 9 – Сумма мощностей ВЭУ и СЭС (кВт*ч)
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | |||||||||||||
| Колпашево | |||||||||||||
| Томск |
Рис.9 – График суммарной среднемесячной выработки мощности ГЭК (двух ветрогенераторов 5/7 KW-48V LOW WIND и 30 панелей ФСМ-100М)
Необходимая же мощность в год для ГЭК составляет 17520 кВт*ч, любые проседание мощности можно компенсировать ДЭС. Как видно из таблицы 9 и из графика (рис.9) ГЭС почти полностью перекрывает среднемесячные потребности в энергии (1488кВт*ч). Излишки энергии целесообразно сбрасывать на балластную нагрузку, обогрев в зимний период и кондиционирование в летний. А так же для компенсации потерь в инверторе, АКБ и т.д.
Солнечные батареи предохраняют аккумуляторные батареи от разряда при отсутствии ветра.
Выбор мачты для ВЭУ
Определим целесообразную высоту мачты для ветровой установки в зависимости от затрат на монтаж и стоимость изготовления.
С увеличением высоты поверхностные эффекты уменьшаются, а скорость ветра возрастает. Это увеличение скорости с высотой называют градиент ветра. Наиболее часто используемое уравнение, представляющее данное отношение:
V2/V1 = (H2/H1)α
V - скорость ветра,
H – высота
α – коэффициент увеличения скорости ветра с увеличением высоты
Соответственно при мачте H2 = 15м, скорость ветра определяется как V2=V1(H2/H1)α для метеостанции Александровской, Колпашево и Томска со среднегодовыми скоростями в 3.58, в 3.55 и в 3.61 м/с (на высоте 10м). Коэффициент градиента ветра равен 0.3. Данный коэффициент характерен для местности с деревьями, холмами и зданиями в районе. При коэффициенте 0,2 для открытой местности
VАлександровское=3,58(15/10)0,3=4,04 м/с
VКолпашево=3,55(15/10)0,3=4,01 м/с
VТомск=3,61(15/10)0,3=4,07 м/с
Таблица 10 – Среднемесячная скорость ветра в Томской области на15м, м/с.
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 3,78331 | 3,84 | 4,2 | 4,2 | 4,6 | 4,4 | 3,5 | 3,8 | 4,4 | 4,3 | 4,1 | 4,04 | |
| Колпашево | 3,83978 | 3,95 | 4,3 | 4,2 | 4,6 | 3,2 | 3,7 | 4,5 | 4,5 | 4,2 | 4,01 | ||
| Томск | 4,79972 | 4,69 | 4,7 | 4,1 | 3,9 | 3,3 | 3,7 | 4,4 | 4,6 | 4,6 | 4,08 |
Количество кВт·ч электроэнергии, вырабатываемое ВЭУ в течение года или любого периода определяется по формуле:
Таблица 11 - Месячные и годовые суммы выработки энергии одного ветрогенератора 5/7 KW-48V LOW WIND на высоте 15м, кВт⋅ч
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | |||||||||||||
| Колпашево | |||||||||||||
| Томск |
Соответственно при мачте H2 = 20м, скорость ветра определяется как V2=V1(H2/H1)α для метеостанции Александровской, Колпашево и Томска со среднегодовыми скоростями в 3.58, в 3.55 и в 3.61 м/с. Коэффициент градиента ветра равен 0.3. Данный коэффициент характерен для местности с деревьями, холмами и зданиями в районе.
VАлександровское=3,58(20/10)0,3=4,41 м/с
VКолпашево=3,55(20/10)0,3=4,37 м/с
VТомск=3,61(20/10)0,3=4,45 м/с
Таблица 12 – Среднемесячная скорость ветра в Томской области на20м, м/с.
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 4,12433 | 4,19 | 4,6 | 4,6 | 4,8 | 3,8 | 4,2 | 4,8 | 4,7 | 4,4 | 4,41 | ||
| Колпашево | 4,18589 | 4,31 | 4,7 | 4,6 | 4,4 | 3,4 | 4,1 | 4,9 | 4,9 | 4,6 | 4,37 | ||
| Томск | 5,23236 | 5,11 | 5,2 | 4,4 | 4,2 | 3,6 | 3,3 | 4,1 | 4,8 | 4,45 |
Таблица 13 - Месячные и годовые суммы выработки энергии одного ветрогенератора 5/7 KW-48V LOW WIND на высоте 20м, кВт⋅ч
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | |||||||||||||
| Колпашево | |||||||||||||
| Томск |
Соответственно при мачте H2 = 25м, скорость ветра определяется как V2=V1(H2/H1)α для метеостанции Александровской, Колпашево и Томска со среднегодовыми скоростями в 3.58, в 3.55 и в 3.61 м/с. Коэффициент градиента ветра равен 0.3. Данный коэффициент характерен для местности с деревьями, холмами и зданиями в районе.
VАлександровское=3,58(25/10)0,3=4,71 м/с
VКолпашево=3,55(25/10)0,3=4,67 м/с
VТомск=3,61(25/10)0,3=4,75 м/с
Таблица 14 – Среднемесячная скорость ветра в Томской области на25м, м/с.
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | 4,40988 | 4,48 | 4,9 | 4,9 | 5,4 | 5,1 | 4,1 | 4,5 | 5,1 | 4,7 | 4,71 | ||
| Колпашево | 4,4757 | 4,61 | 4,9 | 5,4 | 4,7 | 3,7 | 4,3 | 5,3 | 5,3 | 4,9 | 4,67 | ||
| Томск | 5,59462 | 5,46 | 5,5 | 4,7 | 4,5 | 3,8 | 3,6 | 4,3 | 5,1 | 5,4 | 5,4 | 4,75 |
Таблица 15 - Месячные и годовые суммы выработки энергии одного ветрогенератора 5/7 KW-48V LOW WIND на высоте 25м, кВт⋅ч
| Пункт | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | Год |
| Томская обл. | |||||||||||||
| Александровское | |||||||||||||
| Колпашево | |||||||||||||
| Томск |
Вывод: Цена на ВЭУ без мачты колеблется от 150000 до 350000р. Производители большинства ВЭУ поставляют мачты на 4, 6 8 и 12 метров по цене 25000, 37000, 50000 и 70000 рублей. Необходим расчет стоимости мачты на 25 метров с учетом трудозатрат, материала, доставки и монтажа. Предполагается, что будем намного дешевле, чем ещё одна ветроустановка с мачтой меньшей высоты. Так же нужно учитывать, что в течении дня скорость ветра у поверхности меняется, ночью затихает, а днем увеличивается. И направление ветра стремиться следовать за солнцем.