Выбор и обоснование параметров ВЭУ в составе энергокомплекса ВЭС-ДЭС для энергоснабжения поселка Усть-Хайрюзово адаптированного к суровым климатическим условиям

РЕФЕРАТ 
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, ВЕТРО-ДИЗЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, УДЕЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ ВЕТРОВОГО ПОТОКА, ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ, ВАЛОВЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, ОГРАНИЧЕННАЯ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВОГО ПОТОКА, КАМЧАТСКИЙ КРАЙ, ПОСЕЛОК ТИЛИЧИКИ.
75 стр., 29 рис., 19 табл., 6 прил. 
 Целью выпускной бакалаврской работы является выбор и обоснование параметров ВЭУ в составе энергокомплекса ВЭС-ДЭС для энергоснабжения поселка Усть-Хайрюзово адаптированного к суровым климатическим условиям. 
 В данной работе проведен обзор ветроэнергетического потенциала зон с суровыми климатическими условиями; исследованы проблем, связанные с реализацией ВДЭС в условиях сурового климата; обосновано строительство ВДЭС в поселке Тиличики; определены ветроэнергетические ресурсы места возведения ВДЭС с учетом реальных условий местности, с помощью программного комплекса WindPro; определена степень замещения ВЭС в составе дизельной электростанции, с помощью программного комплекса  Homer; произведено обоснование основных параметров ВЭС в составе ВДЭС; собраны нагрузки, действующие на ВЭУ; рассчитан фундамент ВЭУ; произведена оценка экономической эффективности проекта. 
 
 	 
 
 
 
 
 
 
 


 
 

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ 
 
ВИЭ – возобновляемые источники энергии. 
НИЭ – невозобновляемые источники энергии. 
ВЭР – ветроэнергетические ресурсы. 
ВЭС – ветроэлектрическая станция. 
ВЭУ – ветроэлектрическая установка. 
ГМС – гидрометеорологическая станция. 
ДГУ – дизель-генераторная установка. 
ДЭС – дизельная электростанция. 
КИУМ – коэффициент использования установленной мощности. 
НАО – ненецкий автономный округ. 
СМР – строительно-монтажные работы. 
ЭОТ – экономически обоснованный тариф. CFSR – Climate Forecast System Reanalysis. 
MERRA – Modern-Era Retrospective-Analysis for Research and Applications. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
  В мире экологически чистая возобновляемая энергетика развивается стремительными темпами. Это объясняется такими факторами, как - исчерпание ископаемых органических ресурсов; экологические проблемы, связанные с деятельностью топливно-энергетического комплекса; постоянный рост стоимости топлива, его доставки и стоимости энергии, производимой от НИЭ. 
 	Одной 	из 	самых 	перспективных 	и 	быстро 	развивающихся 	отраслей  
альтернативной энергетики является ветроэнергетика. Общая мощность установленных ветровых электрогенераторов на 2016 год 486,7 ГВт. Лидерами по количеству выработанной энергии ветряными электростанциями являются Китай, США, Германия, Индия и Испания, на долю которых приходится примерно 70 % всех установленных в мире ветроэнергетических мощностей. 
 Значительная часть территорий Земли, населенных людьми, расположена в условиях сурового климата. Мировая статистика показывает, что в таких районах сконцентрирован большой ветроэнергетический потенциал. В России такие территории составляют 65 % от общей площади с населением примерно 20 млн человек. Инфраструктура здесь недостаточно развита (высоковольтные линии электропередач, дороги). Основная часть населения этих районов проживает в деревнях, поселках, небольших городах. Главным источником электроэнергии этих районов являются дизельные электростанции (ДЭС). В последнее время стали применяться ветродизельные электростанции (ВДЭС) на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ).  
 Целью выпускной бакалаврской работы является выбор и обоснование параметров ВЭУ в составе энергокомплекса ВЭС-ДЭС для энергоснабжения поселка Тиличики, адаптированного к суровым климатическим условиям.  В данной работе поставлены следующие задачи: 
• обзор ветроэнергетического потенциала зон с суровыми климатическими условиями; 
• исследование проблем, связанных с реализацией ВДЭС в условиях сурового климата; 
• обзор реализованных проектов ВДЭС в мире и в России;  
• обоснование строительства ВДЭС в поселке Усть-Хйрюзово; 
• определение ветроэнергетических ресурсов места возведения ВДЭС с учетом реальных условий местности, с помощью программного комплекса WindPro; 
• определение степени замещения ВЭС в составе дизельной электростанции, с помощью программного комплекса  Homer; 
• обоснование основных параметров ВЭС в составе ВДЭС; 
• сбор нагрузок, действующих на ВЭУ; 
• расчет фундамента ВЭУ; 
• оценка экономической эффективности проекта. 
1 Предпосылки создания ветродизельных энергокомплексов в районах Крайнего Севера 
1.1 Ветроэнергетический потенциал России 
 
      Основным источником исходной метеорологической информации являются климатические справочники и базы данных [1], создаваемые на основе обработки результатов многолетних метеорологических наблюдений на гидрометеорологической сети (ГМС), аэрологических данных с зондов и наблюдений со спутников. В среднем плотность покрытия территории РФ гидрометеорологическими станциями, на основании которых строятся Атласы составляет около 51582 км2, что соответствует расстоянию между станциями сети ГМС около 227 км. В районах Крайнего Севера плотность покрытия территории станциями сети ГМС еще ниже и значения оценок ресурсов в точке размещения объекта возобновляемой энергетики, удаленного от метеостанции, могут значительно отличаться от реальных. Поэтому с использованием созданных на основе таких методов карт и атласов может производиться предварительная крупномасштабная оценка ветроэнергетических ресурсов в месте размещения ВЭС [1]. 
      На рисунке (рис.1.1) представлена карта районирования России по удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м, выполненная М.М. Борисенко. Существенным основанием для выбора высоты 100 м является то, что эта высота является нижней границей пограничного слоя атмосферы и для нее существуют многолетние данные аэрологических измерений [1]. 
 
Рисунок 1.1 – Карта ветроэнергетических ресурсов России 
 
      Как видно из представленной карты, наибольшим ветроэнергетическим потенциалом обладают районы вдоль берегов Карского, Берингова и Охотского морей, где наиболее эффективно создавать системы автономного энергоснабжения на основе ветродизельных энергокомплексов.  
Значительные ресурсы находятся в районах Среднего и Нижнего Поволжья, Калининградской и Ленинградской областях, эффективных для создания сетевых ВЭС, а также в степных районах Западной Сибири [1]. 
      Валовые ветроэнергетические ресурсы (ВЭР) в целом по России составляют 801015 кВт ч/год, технические ВЭР – 6,21015 кВт ч/год, экономические – 31 1012 кВт ч/год. Около 38 % сосредоточено в Европейской части, 30 % сконцентрировано на Дальнем Востоке, около 16 % в Западной Сибири и около 16 % в Восточной Сибири [1]. В районе Ненецкого автономного округа удельная мощность ветрового потока на высоте 100 м составляет 7001000 Вт/м2, что свидетельствует о высоком ветроэнергетическом потенциале на этой территории. 
1.2 Проблемы автономного энергоснабжения и направления их решения 
 
     Оптимизация и модернизация существующих систем энергоснабжения приполярных территорий может эффективно проводиться на основе создания энергокомплексов на базе ВИЭ  в составе ветро-дизельных электростанций (ВДЭС), обеспечивающих высокую долю замещения дальнепривозного дизельного топлива. При этом такие энергокомплексы должны быть адаптированы к суровым северным условиям.  
     Анализ мирового опыта показал, что в настоящее время в мире успешно используются более 75 энергокомплексов (ЭК) на базе ВИЭ с мощностью (по ВИЭ) до 100 кВт для автономного энергоснабжения удаленных потребителей [1]. В приложении А представлены существующие ветродизельные электростанции, которые располагаются на территориях с суровыми климатическими условиями. 
 Суммарная установленная мощность всех ветродизельных электростанций составляет около 30,5 МВт. Из них суммарная мощность ВЭУ в составе электростанции – 9,8 МВт, что составляет порядка 32% от полной мощности ВДЭС. Это свидетельствует о значительной зависимости подобных электростанций от дизельного топлива. 
     Около 65 % территории России находится в зоне изолированного (автономного) энергоснабжения и в основном обеспечиваются электроэнергией от дизельных электростанций, работающих на привозном топливе. В этих регионах можно выделить следующие проблемы энергоснабжения: 
? повышения эффективности использования ветродизельных электростанций; 
? транспортной логистики компонентов ветротурбин; 
? адаптации оборудования к суровым климатическим условиям [2]. 
1.2.1 Проблема повышения эффективности работы ветродизельной электростанции 
      Повышение надежности и эффективности энергоснабжения предлагается решить за счет уменьшения количества топлива, транспортируемого на большие расстояния, оптимизация состава оборудования, параметров и режимов работы. Функциональные схемы ВДЭС можно разделить на два варианта управления: 
? дизельные генераторы (ДГ) постоянно работают в сетке электроснабжения и контролируют нагрузку. Ветровые турбины работают параллельно с ДГ и снижают нагрузку на последние до минимального уровня (для экономии топлива); 
? дизельные генераторы могут быть выключены во время интенсивного производства электроэнергии ВЭУ, которые могут работать в покрытии нагрузки без ДГ. 
      В свою очередь первая схема разделена на две степени замещения ВЭУ в ВДЭС: низкая и средняя. Низкая степень замещения не требует использования специальных средств регулирования и не предусматривает конкретных требований к системе управления. Средняя степень замещения имеет более сложную систему управления по сравнению с низкой, которая увеличивает стоимость проекта. Эти дополнительные затраты покрываются за счет уменьшения потребления дизельного топлива [2]. 
 Вторая схема эксплуатации представляет собой высокую степень замещения, при которой дизельные генераторы выключаются в течение периодов, когда энергии, вырабатываемой на ВЭУ достаточно, чтобы покрыть нагрузку, что обеспечивает максимальную экономию топлива. Однако эта схема требует дополнительного оборудования для контроля частоты и напряжения в случае автономной работы ВЭУ, а также сложной системы управления. Использование данного режима обеспечивает значительную экономию топлива, но требует повышенных затрат. 
 Таким образом, выбор конкретного режима функционирования ВДЭС осуществляется путем сравнения ее технических и экономических параметров [2]. 
1.2.2 Проблема транспортной логистики компонентов ветротурбины 
      Отсутствие развитой дорожной инфраструктуры является самым важным вопросом в строительстве ветроэнергетических установок в суровых климатических условиях, требующих более внимательного изучения логистики. Транспортировка длинных лопастей ветряных турбин требует специального транспорта, однако этот транспорт имеет значительный радиус поворота. Наличие криволинейных участков (например, в горах) с большим количеством трасс и относительно небольшим радиусом поворота требует использования специального оборудования – кранов и прицепов, на которых перевозится оборудование к месту его установки. В районах Крайнего Севера проблемы грузоперевозок связаны с плохим транспортным сообщением, поэтому срок доставки растягивается до 2-3 месяцев и осуществляется по временным, необорудованным дорожным полотнам. Одним из возможных решений в данной ситуации может быть использование грузовых вертолетов для доставки и установки ветровых турбин [2]. 
1.2.3 Проблема адаптации оборудования к суровым климатическим условиям 
      В тех районах, где температура опускается ниже -30  часто образуется изморозь, таким образом, необходимо бороться с обледенением оборудования, которое может привести к неисправности оборудования и перебоям в энергоснабжении потребителей. Для лопастей обледенения нарушают аэродинамику, что приводит к усилению их вибраций. Если ветряная турбина находится в работе, увеличение массы лопатки из-за наращивания на них снега может привести к разрушению ветроколеса, и ставит под угрозу безопасность объекта. Методы борьбы с обледенением включают в себя: проектирование отопительных систем лопастей, окрашивание их черной краской и нанесение специального гидрофобного полимерного покрытия, которое улучшает адгезию к налипанию; ультразвуковые методы обработки лопаток, которые в настоящее время находятся в стадии разработки и тестирования. Согласно исследованию, системы отопления требуют большого расхода энергии, для собственных нужд (10%) и увеличивают риск возникновения пожара [2]. 
      Основное энергетическое оборудование находится в гондоле ветровых турбин, поэтому необходимо обеспечить безопасную работу и избежать нагрева наиболее важных компонентов (коробки передач, генератора, блоков управления, подшипников, лопасти поворота системы управления и т.д.). Для башен ветровых турбин в эксплуатации применяются холодостойкие виды низколегированной стали при низких температурах. Никель всех легирующих элементов снижает в наибольшей степени хладноломкость стали. Никель и железо полностью растворимы друг в друге; они имеют одинаковую кристаллическую структуру решеток. Таким образом, в условиях сурового климата целесообразно проектировать башни из низкоуглеродных сталей, так как их свариваемость улучшается. 
      Стационарное оборудование, такое как дизельные генераторы, батареи, панели управления рекомендуется устанавливать в герметичные контейнеры в хорошо вентилируемом, подогреваемом и изолированном месте для адаптации к северным условиям [2]. 
2 Обоснование строительства ВДЭС в поселке Усть-Хайрюзово
2.1 Природные условия и инженерно-строительная характеристика района 
 
      Поселок Усть-Хайрюзово расположен на Камчатском полуострове, на берегу охотского моря, климат суровый с коротким прохладным летом, продолжительной морозной зимой, сильными холодными ветрами, большим снегопереносом. 
      Самый холодный месяц – февраль со среднемесячной температурой -16,8°С. Ежегодно температура воздуха в январе опускается до -37°С. Абсолютный минимум температуры  -39°С. 
      Летними месяцами считаются июль и август. Погода в этот период прохладная и пасмурная. В июле средняя температура +12,1°С. Ежегодно температура воздуха может подниматься до +27°С. Абсолютный максимум равен +35°С. Вторжения холодного воздуха с моря сопровождаются резким понижением температуры, иногда до отрицательных значений [3]. 
      Переходные периоды – весна и осень – короткие, с очень неустойчивой погодой. Весна характеризуется быстрым ростом величин солнечной радиации, осень – пасмурной дождливой погодой. 
      Безморозный период длится в среднем 145 дней: с первой половины июня до середины сентября, однако заморозки возможны в течение всего лета. Продолжительность периода устойчивых морозов 6 месяцев с конца октября до конца апреля. 
      Относительная влажность воздуха постоянно велика: 86-89% - зимой и 74-78% - весной, в начале лета. Около 200 дней в году в дневное время отмечается относительная влажность более 80%. В среднем за год выпадает 409мм осадков с максимумом летом – в начале осени (268мм). Снежный покров держится с середины октября до конца мая и достигает высоты в марте 37см. Максимальная высота – 80см. 
      Ветровой режим характеризуется резкой сменой преобладающих ветров в течение года. Зимой преобладают южные и юго-западные ветры, летом – ветры северной четверти горизонта. В среднем за год господствующими являются юго-западные ветры. Открытое пространство тундры обусловливает большие скорости ветра, особенно зимой (5,5м/сек). Летом скорости уменьшаются до 4,4-4,8м/сек. Число дней с сильным ветром (более 15м/сек) равно 29 за год. Наиболее часто сильные ветры наблюдаются зимой и весной (по 3-4 дня в месяц). 
      К неблагоприятным атмосферным явлениям, часто наблюдаемым, относятся метели и туманы. 
      С января по март отмечается по 10-12 дней с метелью в месяц, а в отдельные годы до 20 таких дней. Как правило, метели возникают при ветрах юго-западной четверти со скоростью 6-9м/сек. 
Туманы образуются в течение всего года. 
      Территория поселка Усть-Хайрюзовво относится к северной строительно-климатической зоне I Г. Расчетные температуры для проектирования отопления и вентиляции соответственно равны -37°С и -25°С. Продолжительность отопительного периода 285 дней.  
      Рельеф участка сильно пересеченный, абсолютные отметки поверхности земли изменяются от 0 до 24м. Общий уклон поверхности к югу и в сторону рек. Уклоны поверхности преимущественно до 5 градусов, но на отдельных участках до 15-20 градусов. Почва и грунты песчаные и суглинистые, пригодные для строительства, площадку слагают элювиальные, техногенные и аллювиально-морские образования, представленные песками мелкими, плотными, прикрытые с поверхности слоем тугопластичных, плотных суглинков. Песчаные грунты составляют основную часть строения участка проектирования. 
  На территории участка расположены мерзлые песчаные грунты. Мерзлые пески встречаются под насыпным слоем. Кровля мерзлых песков лежит на глубине в среднем 
1.2 м.  
      При строительстве на участке, где развита многолетняя мерзлота необходимо при инженерной  подготовке площадки произвести предпостроечное оттаивание грунтов, убрав для этой цели насыпной слой [3].  
 
2.2 Существующее состояние электроэнергетики поселка Усть-Хайрюзово.

      Энергосистема децентрализованная. 
      Электроснабжение сельских населенных пунктов обеспечивают локальные стационарные дизельные электростанции. Большее количество из работающих на территории округа дизельных электростанций (31 ДЭС) находятся в хозяйственном ведении  ооо «Корякэнерго». 
Согласно отчетной калькуляции полезно отпущенной электроэнергии ооо 
«корякэнерго» за 2016 год, энергопотребление поселка Усть-Хайрюзово составляет 1295 МВтч/год, с учетом собственных нужд на производство электроэнергии – 1496679 кВтч/год. Годовой график потребления электроэнергии приведен на рисунке (2.1), по данным таблицы (прил. Б.1). Характерной особенностью годового графика является снижение электрической нагрузки в летний период. Главной причиной таких колебаний является работа электрических отопительных приборов в холодные периоды года [4]. 
 

Рисунок 2.1 – Годовой график потребления электроэнергии за 2016 год  
 
 	На основе типовых зимних, весенних, летних и осенних графиков нагрузки и значений месячных потреблений электроэнергии был построен почасовой годовой график нагрузки (рис. 2.2). Пиковая мощность в году – 400 кВт, Среднее отклонение часового энергопотребления 6 %, среднее отклонение суточного энергопотребления 8,5 %.  
 
 
Рисунок 2.2 – Почасовой годовой график нагрузки 
 
Суммарная мощность генерирующего оборудования ДЭС составляет 1545 кВт, что полностью обеспечит потребности населенных пунктов даже с учетом роста потребления [5]. 
 
Таблица 2.1 – Состав оборудования ДЭС в п. Усть-Хайрюзово (2010 год) 

Установленная мощность, кВт 
Марка дизеля 
Мощность 
генератора, кВт 
Год ввода генератора в эксплуатацию 
 
 
800 
ЯМЗ-7514.10-01 
200 
2005 

ЯМЗ-7511.10-06 
200 
2002 

ЯМЗ-7514.10-01 
200 
2008 

ЯМЗ-238М2-11 
100 
2002 

Д-266.4-13М 
100 
2009 
 
 
320 
 
ЯМЗ-236М2-7 
60 
2003 

Д246.4-933 
60 
2008 

ЯМЗ-238М2-11 
100 
2005 

Д266.4-13М 
100 
2008 
  
      Тарифы на электроэнергию ООО «Камчатэнерго» за 2016 год для различных типов потребителей приведены в приложении (прил. Б.2). Экономически обоснованный тариф (ЭОТ) составляет 33,57 руб/кВтч. Строительство ветро-дизельного комплекса позволит снизить расход дорогостоящего топлива и себестоимость электроэнергии. 
2.2.1 Особенности и проблемы текущего состояния электроэнергетики на 
территории Камчатского края
      Особенностью функционирования энергосистемы Камчатского края является ее децентрализация и технологическая изоляция от единой энергосистемы Российской Федерации. 
      В целях обеспечения жизнедеятельности населения, проживающего на территории Ненецкого автономного округа и ограниченными сроками морской и речной навигации, ежегодно осуществляется поставка топливно-энергетических ресурсов в сельские населенные пункты (далее – Северный завоз). 
      Северный завоз топлива на территорию Ненецкого автономного округа осуществляется морским и речным транспортом в период навигации. 
      Морем топливо доставляется в поселки и сельские поселения, расположенные: на побережье Белого моря (населенные пункты Шоинского и Канинского сельских советов); 
Баренцева моря (населенные пункты Омского, Пешского и Тиманского сельских советов); Карского моря (п. Усть-Кара Карского сельского совета и п. Амдерма МО «Поселок Амдерма»); островах Колгуев (п. Бугрино Колгуевского сельского совета) и Вайгач (д. 
Варнек Юшарского сельского совета). 
      Рекой топливо доставляется в поселки и сельские поселения, расположенные в бассейне р. Печора, а также на территории Большеземельской тундпы (п. Хорей-Вер и п. Харута) и входящие в состав Андегского, Великовисочного, Коткинского, Малоземельского, Приморско-Куйского, Пустозерского, Тельвисочного, Хорей-Верского, Хоседа-Хардского сельских советов [4]. 
      В ряд других населенных пунктов (д. Снопа, д. Вижас, п. Выучейский, п. Индига и др.) доставка топлива осуществляется по временным дорогам в зимний период из центров муниципальных образований. 
      Проблемы доставки топлива в населенные пункты при организации Северного завоза в первую очередь связаны с ограниченным сроком морской навигации в Белом и Баренцевом морях с июня (июля) по сентябрь (октябрь) в зависимости от погодных условий. 
      Еще более короткий период времени (1-2 недели) имеется в наличии для доставки топлива по рекам в весенний период по «большой воде» в такие населенные пункты  как с. Коткино, п. Хорей-Вер, п. Харута. 
      Результаты оценки состояния генерирующего оборудования поселков и сельских поселений Ненецкого автономного округа показали ряд ключевых проблем: 
– Высокий удельный расход топлива существующих дизель генераторных установок, средний по округу 317 г/кВтч. 
– Износ инфраструктуры ДЭС (здания, емкостные парки хранения дизельного топлива, распределительные устройства). 
– Большой парк различных моделей ДГУ от разных производителей (ЯМЗ, ТМЗ, Камаз, Skoda, Volvo, Perkins, 6ЧН, Д-243 и пр.). 
– Отсутствие приборов учета расхода дизельного топлива. 
– Низкий уровень квалификации обслуживающего персонала в отдельных сельских поселениях [4]. 
2.2.2 Основные направления развития энергетического комплекса Камчатского края
      Концепцией развития энергетического комплекса и повышения энергоэффективности региональной экономики определена основная цель модернизации окружной энергетики – повышение энергетической безопасности граждан, повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на территории Ненецкого автономного округа (снижение объемов Северного завоза) и созданий условий для скорейшего перевода экономики округа на путь развития, обеспечивающий максимальное энергосбережение и снижение энергоемкости продукции и услуг[4]. 
      Основными направлениями развития электроэнергетики являются: 
– Перевод на централизованное электроснабжение части населенных пунктов Камчатского края . 
– Строительство объектов возобновляемых источников энергии. 
– Повышение энергетической эффективности объектов генерации и транспортировки энергетических ресурсов. 
– Комплексная модернизация ДЭС, в сельских населенных пунктах с заменой выработавших свой ресурс ДГУ на новые ДГУ. 
По результатам проведенных исследований были подготовлены 3D модели ветровых нагрузок и определены наиболее благоприятные места для установки ВДЭС [4]. 
2.3 Оценка природного ветроэнергетического потенциала в районе п. Усть-Хайрюзово.
      Поселок Усть-Хайрюзово и его окрестности обладают высоким ветроэнергетическим потенциалом от 400 до 700 Вт/м2 (рис. 1.1). По данным спутниковых наблюдений MERRA среднегодовая скорость ветра на высоте 50 м над поверхностью земли в районе п. Усть-Хйрюзово составляет 5,87 м/с, среднемесячная скорость ветра варьируется от 5,79 м/с до 8 м/с в течение года. Значения среднемесячной скорости ветра за период с 01.01.1986 по 01.05.2017 гг. представлены в таблице (табл. 2.2). 
      
      
      
      
Таблица 2.2 – Средняя скорость ветра на высоте 50 м в районе метеостанции 
Месяц 
, м/с 
Месяц 
, м/с 
Январь 
5,79 
Июль 
7,14 
Февраль 
5,92 
Август 
7,91 
Март 
6,3 
Сентябрь 
7,99 
Апрель 
6,3 
Октябрь 
7,17 
Май 
6,4 
Ноябрь 
6,56 
Июнь 
6,46 
Декабрь 
6,26 
 
Наиболее часто наблюдается скорость ветра от 5 до 8 м/с (рис. 2.3).  
 
Рисунок 2.3 – Дифференциальная повторяемость скорости ветра по данным спутниковых наблюдений на высоте 50 м 
      Повторяемость направлений ветра по данным спутниковых наблюдений на высоте 50 м за период с 01.01.1986 по 01.05.2017 гг. представлена в таблице (табл. 2.3). На основании данных таблицы 2.5 построена роза ветров (рис. 2.4). Таблица 2.3 – Повторяемость направлений ветра 
Напр. ветра 
С 
ССВ 
ВСВ 
В 
ВЮВ 
ЮЮВ 
Ю 
ЮЮЗ 
ЗЮЗ 
З 
ЗСЗ 
ССЗ 
% 












 
 
Рисунок 2.4 – Роза ветров по данным спутниковых наблюдений на высоте 50 м 

 
      По данным розы ветров можно сделать вывод, что преимущественным направлением движения ветровых потоков является северное.  
Строительство ВДЭС в п.Усть-Хайрюзово обосновывается следующими факторами: 
1. децентрализованное энергоснабжение; 
2. доставка топлива и его высокая стоимость; 
3. высокий ветроэнергетический потенциал. 
3 Проектирование ветро-дизельной электростанции в поселке Усть-Хайрюзово 
 
      Для количественной и достоверной оценки ветроэнергетических ресурсов на предварительных стадиях проектирования, в условиях отдаленности объекта от ГМС, отсутствия данных ветромониторинга предлагается методология трехуровневой оценки ветроэнергетических ресурсов [1]. 
      На первом уровне на основании справочных данных гидрометеорологической сети (ГМС) со среднемноголетними значениями скорости и направления ветра, а также удельной мощностью ветрового потока для конкретной точки расположения энергокомплекса производится предварительная крупномасштабная оценка ветроэнергетических ресурсов [1].  
      На втором уровне региональной оценки ВЭР, после выбора перспективного района, производится мезомасштабное численное моделирование ветрового потока на произвольной высоте над уровнем земли. 
При моделировании используются: 
– спутниковые данные о скорости и направлении ветра; 
– мезомасштабная цифровая модель рельефа с разрешением 0,5-10 км; 
– сезомасштабная цифровая модель шероховатости с разрешением 0,5-10 км. 
      В качестве исходных данных ветрового режима используются многолетние (30 лет и более) почасовые данные скорости и направления ветра, полученные в результате численного прогнозирования погоды (NWP – Numerical Weather Prediction) на суперкомпьютерах. С помощью прогнозных погодных моделей на основе данных климатических наблюдений, таких как давление в верхних слоях атмосферы, температура, влажность, вычисляется поле геострофических ветров и экстраполируется вниз к высотам 10-50 м, генерируя статистические данные ветрового режима в расчетных узлах, и создавая таким образом виртуальные метеостанции. Такие данные (NCEP/NCAR, ECMWF, CFSR, Vortex, Atlas, MERRA, NASA и др.) получены различными международными организациями и институтами, имеют различное покрытие планеты и различную корреляцию с данными наземных метеостанций ГМС в различных районах [1]. 
      Сравнительный анализ многолетних рядов различных баз реанализа, расположенных на рассматриваемой территории, с данными краткосрочных натурных наблюдений показал наилучшую сходимость последних с данными реанализа MERRA, представляющих собой многолетние (1979-2017 гг.) почасовые ряды значений скорости и направления ветра в узлах сетки с шагом 2/3 по широте и 0,5 по долготе. По данным реанализа MERRA для рассматриваемого региона были рассчитаны ВЭР и построена карта территориального распределения удельных ВЭР на высоте 50 м территории НАО 
(рис.3.1). 
 
Рисунок 3.1 – Карта ВЭР на высоте 50 м 
      После выгрузки массива данных о ветровом режиме из базы мезомасштабного моделирования ветрового потока с шагом 0,5-1,5 (20-100 км) производится построение уточненной региональной карты ВЭР на заданной высоте, которая позволит выделить районы с наиболее высокими ВЭР и принимать решения по развитию объектов энергоснабжения с использованием ВИЭ. Кроме того, ближайший к месту расположения проектируемого объекта ряд многолетних данных о скорости и направлении ветра будет использован на 3 уровне оценки ВЭР. Достоверность оценки ВЭР на этом уровне может составить до 85% [1]. 
      На третьем уровне проводится микромасштабное моделирование ветрового потока и определяются технические ВЭР и выработка энергии ВЭС с конкретным типом ВЭУ. 
Микромасштабное моделирование производится в современном программном комплексе WindPro. 
Результатом проведения микромасштабного моделирования являются: 
– повторяемость скоростей и направлений ветра в конкретной точке расположения энергокомлекса; 
– карта ВЭР на высоте башни любой модели ВЭУ для оптимизации местоположения 
ВЭУ в составе ВЭС с учетом  их взаимного затенения; 
– среднемноголетняя выработка электроэнергии любой модели ВЭУ на любой высоте в конкретной точке местоположения энергокомплекса; 
– многолетние ряды данных скорости и направления ветра, полученные в конкретной точке месторасположения энергокомплекса [1]. 
3.1 Определение ветроэнергетических ресурсов места возведения ВДЭС с учетом реальных условий местности 
 
      Для выбора площадки строительства ВЭС и оценки ветрового потенциала использовался профессиональный программный комплекс WindPRO. 
      WindPRO является общепринятым в мировой практике программным комплексом для проектирования ветроэлектрических станций. Он служит для определения ветроэнергетических ресурсов, расчета выработки электроэнергии ВЭУ, ее акустического воздействия на окружающую среду и т.д. При расчете природного и технического ветрового потенциала, программа выполняет численное моделирование ветрового потока, учитывает рельеф местности, шероховатость подстилающей поверхности и отдельные препятствия [1]. 
      Для расчета валового ветроэнергетического потенциала в окрестности п. Индига и определения перспективных площадок строительства ВЭС была построена цифровая модель местности. Модель включает карту рельефа местности и полигоны различной шероховатости в радиусе 50 км от поселка. В качестве исходных данных была использована топографическая карта местности размером 56 х 52 км масштабом 1:14. 
Карта рельефа местности включает в себя горизонтали, проведенные с шагом 5 м (рис. 
3.2). 
 
 

Рисунок 3.2 – Карта рельефа местности 
      Каждому отдельному элементу местности была присвоена соответствующая шероховатость z0 (табл. 3.1). 
Таблица 3.1 – Параметры шероховатости z0 
Тип поверхности 
Параметр шероховатости z0, м  
Класс шероховатости 
Поселок 
0,5 
3 
Луг (тундра) 
0,02 
0,9 
Болото 
0,005 
0,6 
Озера, реки 
0,0005 
0,2 
Море 
0 
0 
 
      Для базового слоя (тип шероховатости – тундра) была задана шероховатость z0 = 0,02, соответствующая классу открытости 0,9. Модель шероховатости местности представлена на рисунке (рис. 3.3). 
 
 
Рисунок 3.3 – Карта шероховатости местности 
      Для оценки ветроэнергетического потенциала на исследуемой территории были использованы данные многолетних почасовых рядов значений скорости и направления ветра в узлах сетки с шагом 2/3 по широте и 0,5 по долготе с ближайшей к п. Индига точки спутниковой системы наблюдения MERRA. Значения средней скорости ветра по месяцам за период с 01.01.1986 по 01.05.2017 гг. представлены в таблице 2.4. Дифференциальная повторяемость, построенная на основе данных спутниковых метеорологических наблюдений MERRA, представлена на рисунке 2.3, роза ветров – на рисунке 2.4. Среднегодовая скорость ветра в районе метеостанции п. Индига составляет 6,87 м/с, параметры распределения Вейбулла – коэффициент масштаба ? = 7,74 м/с, коэффициент формы ? = 2,525. 
     На основании цифровой модели местности и ряда метеорологических измерений выполнен расчет ветроэнергетического потенциала на высоте 30 м (рис. 3.4). Выбранная высота обусловлена высотой башни ВЭУ. 
Критерии выбора площадки строительства ВЭС следующие: 
– ВЭС должна располагаться в месте с высоким ветроэнергетическим потенциалом; 
– ВЭС должна быть расположена в радиусе не более 2 км от дизельной электростанции и вблизи существующих подъездных дорог; 
– шумовое воздействие от ВЭС для объектов с нормируемыми показателями шума должно соответствовать требованиям санитарных норм. 
На территории поселка Индига предложены 4 варианта размещения ВЭС (рис. 3.5): 
1. площадка «ВЭС 1» расположена в северо-западной части п. Индига на расстоянии от ДЭС около 405 м; 
2. площадка «ВЭС 2» расположена немного западнее площадки «ВЭС 1» на расстоянии от ДЭС около 1200 м; 
3. площадка «ВЭС 3» расположена в восточной части п. Индига на левом берегу р. Большая Щелиха на расстоянии от ДЭС около 1600 м. 
4. площадка «ВЭС 4» расположена в южной части п. Индига на расстоянии от ДЭС около 1300 м. Так как площадка располагается вблизи взлетно-посадочной полосы аэропорта поселка (400 м), далее не рассматривается с связи с нарушением правил эксплуатации аэропорта, несмотря на высокие показатели удельной мощности ветрового потока. 
      Окончательный выбор площадки проводится после оценки выработки электроэнергии ВЭУ. 
	 	
Рисунок 3.4 – Карта ВЭР в районе на высоте 30 м 

 
Рисунок 3.5 – Размещение предполагаемых площадок ВЭС 
3.2 Основное и вспомогательное оборудование ДЭС в составе энергокомплекса  
 
      В связи с недавним вводом в эксплуатацию новой ДЭС мощностью 1545 кВт, электростанция включена в состав проектируемого ветро-дизельного энергокомплекса в неизменном виде. 
      Дизельная электростанция блочного типа состоит из семи дизель-генераторных установок (ДГУ), распределительного устройства 0,4 кВ, помещения операторской, склада-мастерской, расположенных на металлической площадке. Состав основного оборудования ДЭС приведен в таблице 3.2 [2]. 
Таблица 3.2 – Основное оборудование ДЭС 
Марка ДГУ 
Марка двигателя 
Марка генератора 
Срок службы двигателя, моточасов 
Номинальная мощность, кВт 
Кол-во, шт 
Расход топлива
, л/ч 
ЭД315-
Т400-1Р 
3 штуки
ТМЗ-
8525.10 
Leroy Somer LSA 47.2S4 
10000 
315 
3 
74 

Вид топлива для ДГУ – дизельное; 
Режим работы ДЭС – непрерывный, круглосуточный; 
Предусмотрено резервирование дизель-генераторов (100% резерв). 
 Работа дизель-генераторных установок предусмотрена в параллельном режиме. В номинальном режиме электростанция загружена на половину мощности (ЭД315).  В случае нехватки мощности подключается дополнительный дизель-генератор. Работой ДЭС управляет программируемый контроллер ComAp (Чехия) с функцией параллельной работы (количеством ДГУ, одновременно находящимися в работе, резервированием). 
3.3Выбор основного оборудования ветроэлектрической станции в составе энергокомплекса 
 
      Для выбора ветроэнергетического оборудования, подходящего для заданной местности, прежде всего по прочности, существует международная .......................