Графические особенности анализа экономической эффективности энергии ветра

ОБЗОРЫ, ДИСКУССИИ REVIEWS, DISCUSSION

Вестник Челябинского государственного университета.

2018. № 3 (413). Экономические науки. Вып. 60. С. 149—156.

УДК 330.15

ББК 65.305.142

ГРАФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

О. Г. Мартынова2, К. Ш. Ямалетдинова1, С. Т. Рахманова2, Р. И. Ахметшин2, В. В. Галиакберов2

1 Челябинский государственный университет, Челябинск, Россия 2 Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

Ветровая энергетика как один из видов альтернативных источников энергии требует тщательного анализа показателей ветра на территориях, где планируется строительство ветровых электростанций. В данной работе оценивается ветроэнергопотенциал трех городов Республики Башкортостан и рассматривается перспективность использования ветровых электростанций (ВЭС) на территории данных городов. Строительство ВЭС могло бы способствовать решению проблемы обеспеченности энергетическими ресурсами растущих потребностей экономики и социальной сферы данного региона. Применение графического метода анализа позволило представить результаты статистических исследований в более доступном и наглядном виде.

Ключевые слова: ветровая энергетика, эффективность энергии ветра, ветровая электростанция, графический анализ, энергетическая безопасность.

Одним из ключевых направлений повышения эффективности экономики любого региона является обеспечение энергетической безопасности. И для достижения высоких темпов социально-экономического развития регионов необходимо бесперебойное и устойчивое обеспечение населения, организаций энергетическими ресурсами и прежде всего электроэнергией. По этой причине использование альтернативных источников энергии, в частности энергии ветра, могло бы способствовать решению проблемы обеспеченности энергетическими ресурсами растущих потребностей экономики и социальной сферы регионов. Развитию данной отрасли энергетики в России способствует тот факт, что страна изобилует природными возобновляемыми источниками энергии [3], а между тем на ее территории имеется множество отдаленных районов, подключение которых к центральным электросетям и газовым магистралям порой затруднено и даже невозможно [1; 16].

Развитие возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России является одним из важнейших факторов модернизации экономики. Успешной реализации процесса модернизации способствует распространение производств инновационного типа, разработка новых технологий, развитие малого и среднего бизнеса. Впоследствии это приведет к

улучшению социальных условий, созданию новых рабочих мест, улучшению экологии [6; 17; 18].

Перспективность вовлечения в энергобаланс регионов энергии природных возобновляемых источников определяет актуальность проблемы энергоэффективности установок, использующих энергию ветра, солнца, потоков воды. В силу низкой энергетической плотности возобновляемых энергоресурсов и их крайней изменчивости стоимость производимой электроэнергии с использованием возобновляемых энергоресурсов в настоящее время обычно превышает тариф на электроэнергию, полученную традиционными способами. Поэтому конкурентоспособной областью нетрадиционной энергетики является малая энергетика, особенно в децентрализованных системах электроснабжения потребителей, находящихся в отдаленных, труднодоступных местах.

Также важно отметить, что успешное использование возобновляемых источников энергии во многом зависит от правильного выбора места установки электростанции. Например, энергия ветрового потока во многом зависит от рельефа местности и имеющихся наземных зданий и сооружений.

Поэтому выбор места установки каждой конкретной электростанции, использующей энергию природных возобновляемых источников, должен

производиться на основании проекта привязки к местности, который должен быть выполнен соответствующими специалистами [9].

ВИЭ приобрели большую актуальность в первое десятилетие XXI в. Общеизвестно, что разведанные запасы газа и нефти будут использованы в течение 30 с небольшим лет, а неразведенных хватит еще максимум на 60—70 лет. В связи с этим наблюдается неуклонный рост цен на основные виды энергоносителей. Решению проблемы обеспечения человечества дешевой и экологически чистой энергией и способствует развитие возобновляемой (альтернативной) энергетики. Альтернативная энергия — это энергия, получаемая из возобновляемых, неисчерпаемых источников энергии (ветра, солнца, биомассы, внутреннего тепла земли) [12].

Среди альтернативных источников энергии одной из самых привлекательных становится ветровая энергия [2], ресурсы которой чрезвычайно велики и широко распространены, в том числе в России. Наша страна обладает наибольшим в мире техническим и экономическим потенциалом энергии ветра — 16 500 ТВт-ч/год [4].

Ветровая энергетика является одним из дешевых ВИЭ. Проблема широкого использования ветроэнергетических установок (ВЭУ) в настоящее время связана с их экономической эффективностью в сравнении с традиционными источниками энергии. Стоимость ВЭС, в том числе ВЭУ, зависит от их мощности, стоимости производства соответствующего оборудования, расходов на портировку и стоимости строительства [7].

В России к началу нынешнего века использовалось около двух с половиной тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 г. ветряные мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Однако интерес к ветроэнергетике не исчезал, и иногда предпринимались попытки использовать энергию ветра на научной и государственной основе. В 1931 г. в районе Ялты была построена крупнейшая для своего времени ветроустановка на 100 кВт.

В настоящее время в России возникли новые организации, занимающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами. Созданы отечественные образцы ВЭУ мощностью до 100 кВт, например ВЭУ «Радуга». Однако недостаточный объем финансирования научных и опытно-конструкторских разработок не способен обеспечить не только развитие, но и поддержку научно-технического уровня, достигнутого в данной сфере [9].

Несмотря на достаточно несложные механизмы извлечения данного вида энергии и относительную дешевизну его преобразования в электро-

энергию, существенным препятствием на пути его массового и повсеместного использования является неопределенность с обеспеченностью климатическими ресурсами соответствующих преобразовательных установок. Для достоверной оценки потенциальных возможностей применения ветровых установок в том или ином месте, учитывают данные ветрового режима (среднегодовая скорость, годовой ход, роза ветров, повторяемость скоростей по градациям, максимальный порыв) в данном месте. Однако следует учесть, что показатели ветра также зависят от рельефа местности, шероховатости местности, наличия затеняющих элементов, высоты над поверхностью земли [11].

Главный показатель, определяющий энергетическую ценность ветра, — его среднегодовая скорость. В ветроэнергетике районы со среднегодовой скоростью ветра менее 5 м/с считаются малопригодными для размещения ВЭС, а со скоростью более 8 м/с — очень хорошими [5; 8; 10; 11; 14; 15].

В связи с этим изучение показателей ветра для оценки перспективности использования ветровой энергетики в том или ином регионе страны является актуальной задачей. В данной работе представлены результаты анализа ветровых показателей Республики Башкортостан.

Ветровой режим исследуемого региона формируется под действием барических центров и распределением атмосферного давления на всей территории Зауралья и Предуралья. На территории республики зимой преобладает антициклонический тип циркуляции с хорошей повторяемостью ветров (особенно в декабре и январе). Летом резкого преобладания процесса какого-нибудь одного плана, как зимой, не наблюдается [11].

Материалом для обзора послужили статистические данные метеорологических условий трех городов Республики Башкортостан — Акъяр, Уфа, Белебей — за 2014—2016 гг., полученные с сайта «Прогноз погоды» и обработанные коллективом авторов [13].

По рис. 1 и 2 можно судить о скорости ветра в трех указанных городах, находящихся в разных природных зонах. Сравнительный анализ показывает, что за рассмотренный период среднемесячные скорости ветра в Акъяре и Белебее выше, чем в столице республики. В Акъяре (Зауралье) годовой ход скорости ветра находился в интервале от 2,7 до 3,9 м/с в 2015 г. и от 2,7 до 4,1 м/с в 2016 г. Максимальные среднемесячные скорости ветра наблюдались в весеннее и осеннее время. В Белебее (Предуралье) максимальные скорости ветра наблюдались в зимнее время и составили 3,6—4,3 м/с.

Самые слабые ветры из трех городов были характерны для Уфы, среднемесячные скорости — в

о ё

се &

0> М ьч Н

О

л

о м

Ü

3,5

3

2,5 i

1.5 1

0,5 0

II I II Н

г> п Пп i ITFI i IB  i i

I III III I lili 1

III "I" III

III I II

Ó

ж

<é? Ж

л

2015

нуЕждрИ Уфаи Белебей

Рис. 1. Показатели среднемесячной скорости ветра в городах Акъяр, Уфа, Белебей в 2015 г.

сз &

О)

м

ьч

н

О Рч

О

м

Ü

4,5 4 3,5 3 2,5 i

1.5 1

0.5 0

lilla

irt

tt

и и

II 111111111ПIIIIII I I I I I ! 1II1111 I I

ÍP

2016

i Акъяр н Уфа и Белебей

Рис. 2.Показателисреднемесячнойскорости ветравгородахАкъяр, Уфа,Белебей е2016 г

интервасеот 1,РфО 1,1м/с в2015й, ист1,Вдо 2,5 м/с в 2016 г.

Розы ветров, гострорнрые для бвер гервдов ре-гиона, сильно различаются. На рис. 3 и 4 видно, что о квждом уЕССраоррвасм ом воробРнадлю-дается тенденция повторения господствующих ветров из года в год. Так, в Акъяре господствующими ветрами являлись западные (14,1 % от общего) и северо-восточные (7,5 %), а в Беле-бее преобладали в основном южные (15,4 %) и юго-западные (11,2 %) ветры. В столицу региона ветры в основном приходили со стороны юга (20,3 % в 2015 г. и 24,5 % в 2016 г.), то есть они господствовали.

По рис. 5 можно судить о количестве зарегистрированных случаев сильного порыва ветра

(со скоростью >10 м/с) в трех городах Республики Башкортостан за 2015—2016 гг. Как вид-но,самоебольшоеколичествотакихслучаевна-блюдалось в Зауральском регионе (Акъяр), и по сравнениюсдвумядругимирассматриваемыми городами здесь сильные порывы наблюдаются в два раза чаще. Также интересным является тот факт, что за рассмотренный период максимальный порыв пришелся на столицу республики и составил 27 м/с. Также в Акъяре зафиксированы сильные порывы ветра, скорость которых достигала 22—24 м/с. Сравнительный анализ средних значений сильных порывов ветра между городами не выявил значимых различий. Среднее значение варьировалось в диапазоне от 11,4 до 12,3 м/с.

С

ЮЮР ко

—Акъяр Уф а — ^^йей

Рис. 3. Госсодствующие ветры в трех городах Республики Башкортостан в 2015 г.

С

Рис. 4. Господствующие ветры в трех городах Республики Башкортостан в 2016 г.

Рас. 5. Количество случаев сильного порыва ветра в трех городах Республики Башкортостан в 2015—2016 гг.

По рис. 6 и 7 видно, что в исследованных городах наибольшая Аавторяемость скоростей ветра прихооилась та нрьдации 0—0 м/с и К—5 м/с.

—к™ образом,пврезульнатамиссавдованис, можно сказать, что среднегодовые скорости ветра

и их повторяемость не позволяют эксплуатацию мощшлх веарявых устъноаоь номерритмАии даьньм горядоц, нво сьономиАеАкиневыгодно так как ско-ростпватриссдо стигает 5 м/с и получить от их работы существенного количества энергии не удастся.

j

о

0J

ч

Рч О

Р

¿4 01

Рч

й

О

К

2 3 4 5 6 7

Скорость ветра, м с

-Акъяр -Уфа - Белебей

Рис. 6. Повторяемость ветра в трех городах Республики Башкортостан в 2015 г.

3 4 5 6 7

Скорость ветра, м'с

-Акъяр -Уфа -Белебей

Рис. 7. Повторяемость ветра в трех городах Республики Башкортостан в 2016 г.

Список литературы

1. Абдрахманов, Р. Р. Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием воз-обновляемыхисточниковенергии (в условияхРесмбликиБашкортостан) :автореф. .. .дис.канд.тех. наук / Р.Р.Абдрахманок. — ЧекеСинсв,еК1Р .

2.Алексееыко,С. В.НеорадицврФкаяхнергекФыаквкехгосбефежкиие /С.В. Алеосеенко /КАшкова-ции. Технология. Решения. — 2006. — № 3. — С. 38—41.

3. Бердиев, Г. И. Горизонты использования альтернативных источников энергии / Г. И. Бердиев, М.А.Мусурмаш^ловЫЫИЭолодкК ученеш. — (0(4. — № 4. — С. 4ор—ОВВ

4. Гзенгер, Ш. Перспективы ветроэнергетического рынка России (март 2017) [Электронный ресурс]. Ш. Гзенгер, Р. Денисов. — URL: http://www.wwindea.org/wp-content/uploads/2017/06/170612-FES-Wind energie-mc-pcipt.pKB.

5. Дакалов, М. В. Экономические аспекты развития возобновляемых источников энергии в странах ЕС^акрорсф.дас. ... кавд. экон. кавы°М. В . Дакакоо. — М.,сх1-.

6. Егорова, М. С. Развитие возобновляемых источников энергии — мировой опыт и российская практика / М. С. Егорова // Вестн. науки Сибири. Сер.: Экономика и менеджмент. — 2013. — № 3. — С. 146—150.

7. Квитко, А. В. Характеристика ветра, особенности расчета ресурса и экономической эффективности ветровой энергетики / А. В. Квитко, А. О. Хицкова // Науч. журн. КубГАУ — 2014. — № 97. — С. 1—12.

8. Кондаков, А. М. Альтернативные источники энергии / А. М. Кондаков. — М. : Прива, 2006. — 185 с.

9. Лукутин, Б. В. Возобновляемые источники электроэнергии : учеб. пособие / Б. В. Лукутин. — Томск : Изд-во Томс. политех. ун-та, 2008. — 187 с.

10. Игнатьев, С. Г. Развитие методов оценки ветроэнергетического потенциала и расчета годовой производительности ветроустановок / С. Г. Игнатьев, С. В. Киселева // Альтернатив. энергетика и экология. — 2010. № 10 (90). — С. 10—35.

11. Потенциал использования ветра как альтернативного источника энергии в Зауральском регионе Республике Башкортостан / Г. Р. Ильбулова, А. А. Аминева, Г. А. Ягафарова, Г. Ш. Кужина, А. Ю. Хисаметдинова // Доклад Башкир. ун-та. — 2017. — Т. 2, № 1. — С. 48—52.

12. Ожегова, Л. А. Пространственные особенности развития солнечной энергетики: глобальный и региональный аспекты / Л. А. Ожегова // Ученые зап. нац. ун-та им. В. И. Вернадского. Сер.: География. — 2014. — Т. 27 (66), № 1. — С. 68—82.

13. Прогноз погоды [Электронный ресурс]. — URL: https://rp5.ru.

14. Ресурсы и эффективность использования ВИЭ в России / под. ред. П. П. Безруких. — СПб. : Наука, 2007. — 314 с.

15. Сибикин, Ю. Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : учеб. пособие / Ю. Д. Сибикин, М. Ю. Сибикин. — 2-е изд., стер. — М. : КНОРУС, 2012. — 232 с.

16. Схема и программа перспективного развития электроэнергетики Республики Башкортостан на 2015—2020 годы [Электронный ресурс]. — URL: http://www.garant.ru/files/8/6/733368/prilojenie_n_6.pdf.

17. Использование методов графического анализа для оценки фиторемедиационного потенциала сельскохозяйственных растений / Е. Н. Елизарьева, Ю. А. Янбаев, Д. М. Юнусова [и др.] // Естеств. и тех. науки. — 2018. — № 2 (116). — C. 28—32.

18. Моделирование экологических ЧС, вызванных загрязнением водных объектов / И. Ю. Кияшко, Л. Ю. Кияшко, А. Н. Елизарьев [и др.] // Успехи соврем. естествознания. — 2016. — № 2. — С. 159—163.

Сведения об авторах

Мартынова Ольга Галиевна — кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования машин и механизмов Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. olgamar07@mail.ru

Ямалетдинова Клара Шаиховна — завкафедрой «Управление качеством», профессор Челябинского государственного университета, Челябинск, Россия. clara-yk@yandex.ru

Рахманова Светлана Талгатовна — старший преподаватель кафедры конструирования машин и механизмов Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. raxm. sveta@mail. ru

Ахметшин Рустам Ильясович — старший преподаватель кафедры конструирования машин и механизмов Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. ahmetshin@bk.ru.

Галиакберов Василь Вакилевич — магистрант Уфимского государственного авиационного технического университета, Уфа, Россия. galiakberov-94@mail.ru

Bulletin of Chelyabinsk State University.

2018. No. 3 (413). Economic Sciences. Iss. 60. Рp. 149—156.

THE GRAPHIC FEATURES ANALYZE THE ECONOMIC EFFICIENCY OF WIND ENERGY

O.G. Martynova

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. olgamar07@mail.ru

K.Sh. Yamaletdinova

Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia. clara-yk@yandex. ru

S. T. Rakhmanova

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. raxm.sveta@mail.ru

R.I. Akhmetshin

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. ahmetshin@bk.ru

V.V. Galiakberov

Ufa State Aviation Technical University, Ufa, Russia. galiakberov-94@mail. ru

Wind power, as one of the types of alternative sources of energy, requires a careful analysis of indicators of wind in areas where planned construction of wind power plants. This paper evaluates the wind energy potential of three cities in the Republic of Bashkortostan and discusses the prospects of using wind power plants on the territory of these cities. The results of research interpreted in the form of images, allowed us to produce rapid analysis. The application of the graphic method of analysis allowed us to present the results of statistical research in a more accessible and visual way.

Keywords: wind power, speed and repeatability of wind, wind power, graphical analysis.

References

1. Abdrakhmanov R.R. Elektrosnabzheniye potrebiteley s ispol'zovaniyem vozobnovlyayemykh istochnikov energii (v usloviyakh Respubliki Bashkortostan) [Electric supply of agricultural consumers using renewable energy sources (in the conditions of the Republic of Bashkortostan)]. Chelyabinsk, 2014. (In Russ.).

2. Alekseyenko S.V. Netraditsionnaya energetika i energosberezheniye [Non-traditional energy and energy saving]. Innovatsii. Tekhnologiya. Resheniya [Innovations. Technology. Solutions], 2006, no. 3, pp. 38—41. (In Russ.).

3. Berdiyev G.I., Musurmonkulov M.U. Gorizonty ispol'zovaniya al'ternativnykh istochnikov energii [Horizons of the use of alternative energy sources]. Molodoy uchenyy [Young scientist], 2014, no. 4, pp. 473—475. (In Russ.).

4. Gzenger Sh., Denisov R. Perspektivy vetroenergeticheskogo rynka Rossii (mart 2017) [Perspectives of the wind energy market in Russia (March 2017)]. Available at: http://www.wwindea.org/wp-content/ uploads/2017/06/170612-FES-Windenergie-rus-print.pdf (In Russ.).

5. Dakalov M.V. Ekonomicheskiye aspekty razvitiya vozobnovlyayemykh istochnikov energii v stranakh YeS [Economic aspects of the development of renewable energy sources in the EU countries. Abstract of thesis]. Moscow, 2015. (In Russ.).

6. Yegorova M.S. Razvitiye vozobnovlyayemykh istochnikov energii — mirovoy opyt i rossiyskaya praktika [Development of renewable energy sources — world experience and Russian practice]. Vestnik nauki Sibiri [Bulletin of Siberian science], 2013, no. 3, pp. 146—150. (In Russ.).

7. Kvitko A.V., Khitskova A.O. Kharakteristika vetra, osobennosti rascheta resursa i ekonomicheskoy effektivnosti vetrovoy energetiki [Characteristics of the wind, the features of calculating the resource and economic efficiency of wind power]. Nauchnyy zhurnal KubGAU [Scientific Journal of KubSU], 2014, no. 97, pp. 1—12. (In Russ.).

8. Kondakov A.M. Al'ternativnyye istochniki energii [Alternative sources of energy]. Moscow, Priva Publ., 2006. 185 p. (In Russ.).

9. Lukutin B.V. Vozobnovlyayemyye istochniki elektroenergii [Renewable sources of electricity]. Tomsk, Izdatel'stvo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta Publ., 2008. 187 p. (In Russ.).

10. Ignat'yev S.G., Kiseleva S.V. Razvitiye metodov otsenki vetroenergeticheskogo potentsiala i rascheta godovoy proizvoditel'nosti vetroustanovok [Development of methods for estimating the wind energy potential

and calculating the annual productivity of wind turbines]. Al'ternativnaya energetika i ekologiya [Alternative energy and ecology], 2010, no. 10, pp. 10—35. (In Russ.).

11. Il'bulova G.R., Amineva A.A., Yagafarova G.A., Kuzhina G.Sh., Khisametdinova A.Yu. Potentsial ispol'zovaniya vetra kak al'ternativnogo istochnika energii v Zaural'skom regione Respubliki Bashkortostan [Potential of using wind as an alternative energy source in the Trans-Ural region of the Republic of Bashkortostan]. DokladBashkirskogo universiteta [Report of the Bashkir University], 2017, no. 1, pp. 48—52. (In Russ.).

12. Ozhegova L.A. Prostranstvennyye osobennosti razvitiya solnechnoy energetiki: global'nyy i regional'nyy aspekty [Spatial features of solar energy development: global and regional aspects]. Uchenyye zapiski natsional'nogo universiteta im. V.I. Vernadskogo. Seriya Geografiya [Scientific notes of the National University named after V.I. Vernadsky. Series Geography], 2014, vol. 27 (66), no. 1, pp. 68—82. (In Russ.).

13. Prognozpogody [Weather forecast]. Available at: https://www.rp5.ru, accessed 20.01.2018. (In Russ.).

14. Resursy i effektivnost'ispol'zovaniya VIE v Rossii [Resources and efficiency of renewable energy use in Russia]. St. Petersburg, Nauka Publ., 2007. 314 p. (In Russ.).

15. Sibikin Yu.D., Sibikin M.Yu. Netraditsionnyye i vozobnovlyayemyye istochniki energii [Non-traditional and renewable sources of energy]. Moscow, KNORUS Publ., 2012. 232 p. (In Russ.).

16. Skhema i programma perspektivnogo razvitiya elektroenergetiki Respubliki Bashkortostan na 2015— 2020 gody [Scheme and program for the perspective development of the electric power industry of the Republic of Bashkortostan for 2015—2020]. Available at: http://www.garant.ru/files/8/6/733368/prilojenie_n_6.pdf (In Russ.).

17. Elizar'yeva E.N., Yanbaev Iu.A., Yunusova D.M., Dement'yev D.G., Martynova O.G., Akhmetshin R.I., Gibadullin I.Z., Rakhmanova S.T. Ispol'zovaniye metodov graficheskogo analiza dlya otsenki fitoremediatsionnogo potentsiala sel'skokhozyaystvennykh rasteniy [Using methods of graphical analysis to assess the phytoremediation potential of crop plants]. Yestestvennye i tekhnicheskiye nauki [Natural and technical Sciences], 2018, no. 2 (116), pp. 28—32.

18. Kiyashko I.Yu., Kiyashko L.Yu., Elizar'yev A.N., Manyakova G.M., Gabdulkhakov R.R., Martynova O.G. Modelirovaniye ekologicheskikh ChS, vyzvannykh zagryazneniyem vodnykh ob''ektov [Modeling of ecological disaster, causing pollution of water bodies]. Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya [Progress of Modern Natural Sciences], 2016, no. 2, pp. 159—163.