В настоящее время электро- и теплоснабжение поселков, расположенных в удаленных районах Якутии, требует специфического подхода. Это определяется разбросанностью потребителей по территории Крайнего Севера, отсутствием централизованного электроснабжения этих районов, высокой стоимостью органического топлива с учетом его перевозки, большой продолжительностью отопительного сезона и низкими температурами наружного воздуха. Обеспечение устойчивого электроснабжения населения в удаленных улусах республики требует проведения ресурсных, технико-экономических, экологических исследований возобновляемой энергетики. Возобновляемые источники энергии в основном используются в отдаленных и труднодоступных районах отдаленного Дальнего Востока [1–3]. Из всего многообразия возобновляемых источников энергии в арктических районах Якутии приоритетной является энергия ветра. В условиях Якутии наиболее рационально сочетать работу ветроустановок с дизельными электростанциями и малыми ГЭС и при совместной работе получить экономию жидкого топлива Продолжительность энергоиспользуемых ветров, дующих со скоростью 4 м/с и выше, составляет от 150 до 280 дней в году.
Цель исследования: На основе составления кадастра ветровой энергии выявить возможности их использования для энергоснабжения в арктической зоне Якутии.
Метод исследования: использование методов расчета ветровой энергии [4].
Природные условия. Якутия – страна гор, плоскогорий, низменностей. Здесь расположены обширные горные системы – хребты Верхоянский, Черского, связанные между собой Яно-Оймяконским плоскогорьем, Сетте-Дабан, Юдомо-Майское нагорье, Становой хребет, высоты которых колеблются от 2000 до 2412 м. На севере и в центре расположены такие низменности, как Яно-Индигирская, Колымская и Центрально-Якутская.
Вся территория республики лежит в зоне вечной мерзлоты. Климат суровый, резко континентальный. Годовая температура воздуха составляет более 1000.
Ветровой режим. Ветер, формирующийся под воздействием центров давления, характеризуется изменением противоположных направлений ветра и скоростей от 0,9–4,5 м/с внутри территории до 3,5–6,8 м/с на островах и побережьях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского [5]. На большей части территории наибольшую повторяемость имеют ветры слабые и умеренные скорости ветра от 0 до 5 м/с (около 93 %). Наибольшее количество малых скоростей ветра (до 2 м/с) наблюдается зимой, умеренных скоростей (до 5 м/с) – летом. На островах морей Лаптевых и Восточно-Сибирского наибольший процент приходится на ветры со скоростью 4–5 м/с, а на о. Четырехстолбовом – 6–7 м/с [5].
На направление и скорость ветра влияют также физико-географические особенности исследуемой местности [3].
Зимой ветровой режим зависит от господствующего в это время отрога зимнего азиатского антициклона. Такой ветровой режим сохраняется с сентября по март .
Летом на побережьях морей Лаптевых и Восточно-Сибирского ветры имеют муссонный характер. На большей части территории Якутии дуют северные, северо-восточные, северо-западные, западные ветры и южные ветры. Направления ветров остаются летними с мая по август [5].
В сентябре и апреле зимнее распределение ветра сочетается с летним.
Результаты исследования и их обсуждение
В последние десятилетия климат в Арктике однозначно изменился [6]. По данным Межправительственной группы экспертов изменение ветрового режима может быть следствием изменения траектории перемещения циклонов умеренных широт, их интенсивности и частоты, общего усиления циклонов в Арктике [7].
Согласно прогнозу [8], к концу XXI в. средняя годовая скорость ветра в Арктике над континентальной частью Якутии практически не изменится, над морями вдоль побережья знак аномалии в основном положительный. Рост значений ветра наиболее выражен в осенне-зимний период.
Анализ среднегодовых скоростей ветра метеостанций Якутии показал, что скорость более 3 м/с превалирует в северной части республики. Наилучшим для использования на цели энергоснабжения является внутригодовое распределение ветропотенциала, имеющее зимний максимум, поскольку в большей степени соответствует графику нагрузки потребителей, изолированных от энергосистем [9].
Метеорологические факторы являются определяющими для ветроэнергетики. От метеорологических условий в том или ином выбранном месте зависит решение о целесообразности применения ветродвигателей в намеченном месте, определение их оптимальных параметров и планирование режима работы, оценка выдаваемой ими энергии, планирование мер по защите их от воздействия вредных метеорологических явлений. При этом основную роль играет климатическая информация, характеризующая средние многолетние условия.
В работе оценка ветроэнергоресурсов проведена непосредственно по данным справочника [5]. Оценка потенциала ветровой энергии по числу случаев по градациям скоростей выполнена методами [4, 10]. Для увеличения точности вычислений и сглаживания полученной функции на основе этих методов [4, 10] выполнена линейная интерполяция (метод частот) и интерполяция кубическими сплайнами.
Таблица 1
Потенциал ветровой энергии, рассчитанный различными методами
|
Название пункта |
Длина ряда |
Метод частот |
Потенциал, вт/кв.м |
|
|
Расчеты с учетом плотности воздуха |
Метод кубических сплайнов |
|||
|
Кигилях, мыс |
13 |
222,7 |
209 |
212,8 |
|
Тикси, бухта |
13 |
341,3 |
334 |
329,3 |
|
Нижнеянск |
13 |
112,3 |
106 |
104,8 |
|
Найба |
10 |
98,7 |
92 |
93,2 |
|
Юбилейная |
12 |
69,6 |
67 |
63,7 |
|
Кулар |
12 |
208,5 |
191 |
199,4 |
|
Куйга |
11 |
47,6 |
46 |
43,3 |
|
Джангкы |
10 |
29,0 |
27 |
26,0 |
|
Намы |
10 |
16,3 |
15 |
13,8 |
|
Депутатский |
13 |
39,8 |
39 |
35,7 |
|
Янск |
9 |
19,0 |
18 |
15,7 |
Таблица 2
Средние абсолютная и относительная погрешности результатов в зависимости от средней скорости
|
Средняя скорость |
Средняя абсолютная погрешность, т/кв.м |
Средняя относительная погрешность, % |
|
0–1,0 |
1,16 |
22,4 |
|
1,0–1,5 |
1,85 |
17,7 |
|
1,5–2,0 |
2,71 |
15,6 |
|
2,0–2,5 |
3,81 |
11,8 |
|
2,5–3,0 |
4,64 |
8,56 |
|
3,0–3,5 |
5,83 |
8,13 |
|
3,5–4,0 |
6,58 |
6,54 |
|
4,0–4,5 |
8,16 |
5,17 |
|
4,5–5,0 |
10,17 |
4,38 |
|
5,0–5,5 |
9,98 |
4,21 |
|
5,5–6,0 |
10,89 |
4,02 |
Сравнительный анализ результатов расчета энергии ветра показал, что наиболее предпочтительной является методика, позволяющая использовать интерполяцию кубическими сплайнами (табл. 1).
В тех случаях, когда средняя скорость ветра меньше 2,5 м/c, ни один метод не может дать достоверных результатов, так как почти вся выборка попадает в один или два промежутка и выявить закономерности затруднительно (табл. 2).
Для практики интерес представляют методы, дающие достоверный результат расчета потенциала ветровой энергии, при средних скоростях ветра, когда эксплуатация ветроагрегата экономически целесообразна. Как правило, случаи, когда средняя скорость ветра меньше 2,5 м/с, народнохозяйственного значения не имеют.
В табл. 3 приводятся данные по повторяемости ветров по градациям скоростей ветра. Наиболее благоприятные условия для работы ветроэнергетических установок имеют п. Андрюшкино, Чокурдах, Жиганск, Нижнеянск и Тикси. В этих пунктах повторяемость ветров со скоростью более 4 м/с очень высока.
Наиболее сильные ветра, скорость которых составляет более 3 м/с наблюдаются на побережье Северного Ледовитого океана (Аллаиховский, Анабарский, Булунский, Усть-Янский и Нижнеколымский районы) и нижнего течения р. Лена (Жиганский) (табл. 4).
Таблица 3
Повторяемость ветров по градациям скоростей по некоторым пунктам РС(Я)
|
Пункты |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 и более |
|
Андрюшкино |
3165 |
1447 |
509 |
148 |
25 |
4 |
|
Батамай |
1570 |
531 |
146 |
41 |
11 |
3 |
|
Верхоянск |
547 |
147 |
33 |
10 |
3 |
1 |
|
Депутатский |
1745 |
492 |
139 |
50 |
21 |
5 |
|
Жиганск |
3977 |
1898 |
1028 |
485 |
211 |
99 |
|
Куйга |
1964 |
710 |
212 |
55 |
17 |
6 |
|
Кюсюр |
3253 |
1920 |
935 |
389 |
126 |
37 |
|
Нижнеянск |
3954 |
1709 |
669 |
238 |
72 |
19 |
|
Оленек |
1910 |
549 |
145 |
33 |
6 |
2 |
|
Саскылах |
2987 |
1258 |
512 |
215 |
98 |
44 |
|
Тикси |
3995 |
2562 |
1556 |
952 |
613 |
373 |
|
Чокурдах |
4031 |
1614 |
620 |
199 |
76 |
25 |
|
Эйк |
1480 |
383 |
104 |
37 |
3 |
1 |
Таблица 4
Ветроэнергетические характеристики на территории Республики Саха (Якутия)
|
№ п/п |
Районы |
Средняя скорость ветра, м/с |
Удельная мощность, Вт/м2 |
Выработка электроэнергии, тыс. кВт•ч/м2 |
|
1 |
Алданский |
0,9–2,7 |
3–50 |
45–450 |
|
2 |
Таттинский |
1,3 |
10 |
87 |
|
3 |
Аллаиховский |
4,1 |
100 |
890 |
|
4 |
Амгинский |
1,3–1,7 |
12–17 |
110–150 |
|
5 |
Анабарский |
3,3–5,6 |
90–222 |
800–1900 |
|
6 |
Булунский |
1,6–6,5 |
14–480 |
120–4200 |
|
7 |
Верхневилюйский |
2,3 |
26 |
230 |
|
8 |
Верхнеколымский |
2,3 |
30–35 |
270–300 |
|
9 |
Верхоянский |
1,2–2,6 |
10–42 |
90–370 |
|
10 |
Вилюйский |
1,8 |
14 |
123 |
|
11 |
Горный |
1,4–2,6 |
10–53 |
96–470 |
|
12 |
Жиганский |
2,4–4,3 |
34–150 |
300–1300 |
|
13 |
Кобяйский |
2,4–3,4 |
34–107 |
300–930 |
|
14 |
Нюрбинский |
2,4 |
26–30 |
230–260 |
|
15 |
Ленский |
1,2–2,5 |
6–32 |
60–280 |
|
16 |
Мирнинский |
1,1–3,5 |
6–60 |
50–550 |
|
17 |
Намский |
2,1 |
21 |
180 |
|
18 |
Нижнеколымский |
3,1–4,8 |
49–147 |
430–1300 |
|
19 |
Оймяконский |
0,9–2,7 |
3–64 |
25–560 |
|
20 |
Олекминский |
0,9–2,4 |
3–28 |
28–250 |
|
21 |
Оленекский |
1,6–2,6 |
17–37 |
150–320 |
|
22 |
Хангаласский |
1,0–2,4 |
6–42 |
53–360 |
|
23 |
Среднеколымский |
1,8 |
12 |
103 |
|
24 |
Сунтарский |
1,3–2,2 |
7–22 |
64–190 |
|
25 |
Томпонский |
0,8–2,2 |
3–18 |
22–160 |
|
26 |
Усть-Алданский |
1,3–2,6 |
11–36 |
96–310 |
|
27 |
Усть-Майский |
1,1–1,5 |
6–12 |
61–105 |
|
28 |
Усть-Янский |
1,8–5,2 |
26–310 |
23–2750 |
|
29 |
Чурапчинский |
1,6 |
12 |
107 |
|
30 |
г. Якутск |
1,8 |
14 |
120 |
|
31 |
Нерюнгринский |
0,9–2,9 |
5–84 |
41–730 |
Выводы
1. Анализ среднегодовых скоростей ветра метеостанций Якутии показал, что скорость более 3 м/с превалирует в северной части республики. Наилучшим для использования на цели энергоснабжения является внутригодовое распределение ветропотенциала, имеющее зимний максимум, поскольку в большей степени соответствует графику нагрузки потребителей, изолированных от энергосистем.
2. Наиболее благоприятные условия для работы ветроэнергетических установок имеют п. Андрюшкино, Чокурдах, Жиганск, Нижнеянск и Тикси. Поскольку для выбранных районов энергия ветра является приоритетной, необходимы дополнительные научно-исследовательские работы по уточнению значений скоростей ветров, их повторяемости и направлению для точной оценки ветроэнергетического потенциала и обоснования размещения ветроэлектростанций.