CC BY
354
Ресурсы солнечной и ветровой энергии чеченской республики
И.А. Керимов, М.В. Дебиев, Р.А-М. Магомадов, Х.И. Хамсуркаев
ГГНТУ
В последнее время во всем мире наблюдается тенденция к росту энергопотребления, что обусловлено стремительными темпами развития мировой экономики, ростом народонаселения, а так же эволюцией образа жизни людей. Предвидимое истощение доступных запасов ископаемого топлива, растущая монополизация отрасли и постоянно возрастающие цены на энергоносители создали угрозу энергетической безопасности в глобальном масштабе. Поэтому «энергетическая безопасность» рассматривается промышленно развитыми странами мира, как элемент национальной безопасности и безусловное обязательство государства обеспечить экономический рост вне зависимости от наличия энергетических ресурсов и цен на них. Более того, необходимо решать многие проблемы обеспечения безопасности окружающей среды, в том числе, проблемы уменьшения выбросов парниковых газов в атмосферу. Так, по данным дагестанских специалистов [12] топливосжигающие звенья ТЭЦ (ТЭС) средней мощностью ежегодно сжигают 2,7 млн. тонн атмосферного кислорода и выбрасывают в атмосферную среду более 5 млн. тонн вредных газообразных соединений углерода, азота, серы и др. Эта короткая справка показывает, что надо переходить на энергосистемы без указанных экологических недостатков.
На этом фоне насущной необходимостью становится переход к устойчивому развитию энергетики с целью обеспечения глобальной энергетической безопасности на основе энергосбережения и эффективного использования новых и возобновляемых источников топлива и энергии. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) - это энергоресурсы постоянно существующих природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоцентров растительного и животного происхождения. Основными преимуществами ВИЭ по сравнению с энергоисточниками на органическом топливе являются практическая неисчерпаемость ресурсов, повсеместное распространение многих из них, отсутствие топливных затрат и выбросов вредных веществ в окружающую среду.
Использование таких возобновляемых источников энергии в последнее время успешно развивается во всем мире (рис. 1).
□ нефть
□ уголь
□ газ
□ биомасса
□ атомная энергетика
□ гидроэнергетика
□ возобновляемые источники
2
Рис. 1. Структура мирового уровня энергоресурсов Целесообразность и масштабы использования возобновляемых источников энергии
определяются в первую очередь их экономической эффективностью и конкурентоспособностью с традиционными энергетическими технологиями.
Россия уже сделала первые важные шаги в направлении понимания важности использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Одним из важных документов стал Указ Президента России от 4.06.2008 г. № 889 "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики", который предусматривает выделение ассигнований на реализацию пилотных проектов в области ВИЭ.Чеченская Республика, являясь одним из регионов России с уникальными природноклиматическими условиями, имеет большие потенциальные возможности для использования возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, гидроэнергии, биоэнергии и т.д. Наиболее перспективными среди них являются солнечная и ветровая энергии, которые в последнее время успешно развиваются во всем мире.
Ветроэнергетика. Ветроэнергетика (wind power) - отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Ветроэнергетике присущи все преимущества, характерные для альтернативной энергетики в целом (экологическая чистота, возобновляемость, низкие эксплуатационные затраты).
По экспертным оценкам, технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 6 000 млрд. кВт ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 31 млрд. кВтч/год. Россия - одна из самых богатых в этом отношении стран.
Для определения характеристик ветра, используемых в ветроэнергетике,
используются следующие характеристики: среднегодовая скорость ветра; распределение скоростей ветра; максимальная скорость ветра; роза скоростей ветра; удельная мощность и удельная энергия ветра; роза энергии ветра; ветроэнергетические ресурсы [2].
Скорость ветра является основной характеристикой, определяющей интенсивность и эффективность использования ветровой энергии. Для получения достоверных данных о средних скоростях ветра требуется репрезентативность и представительность выборки случайных значений скорости, т.е. необходим объём и длительность измерений.
Необходимо учитывать, также и изменения климата, что повлечет за собой и изменения ветроэнергетического потенциала. Так согласно "Материалам к
стратегическому прогнозу изменений климата РФ на период до 2015 г. и их влияния на отрасли экономики", подготовленным Росгидрометом к 2015 г. на территории страны произойдут следующие изменения ветровых ресурсов регионов:
• в большинстве районов европейской части России, в Томской, Новосибирской и Кемеровской областях, в Алтайском крае, в западных районах Приморского и Хабаровского края произойдет некоторое снижение ветроэнергетического потенциала;
• на Северном Кавказе (Чеченская республика, Республика Дагестан,
Ставропольский край), в Мурманской, Архангельской и Ленинградской области, Якутии, Магаданской и Иркутской областях, прибрежных районах Ханты -Мансийского и Эвинкейского АО ветронагрузки возрастут в 1,2 раза.
Применение современных ветроэнергетических установок (ВЭУ) экономически целесообразно при среднегодовой скорости ветра от 5 м/с. Распределение показателей скоростей ветра на высоте 10 м по территории России представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Распределение значений среднегодовых скоростей ветра на высоте 10 м по территории России
Данные по ресурсам (потенциалам) ветровой энергии по субъектам Российской Федерации, расположенным в пределах Северо -Кавказского федерального округа приведены в таблице 1 и на рис. 2.
Таблица 1
__________________________Ресурсы ветровой энергии СКФО _______________________
Субъекты Российской Федерации Валовый ресурс Технический ресурс Экономический ресурс
млрд. кВтч млн. т у.т. млрд.кВтч млн. т у.т. млрд. кВтч млн. т у.т.
Республика Дагестан 21126 7182,84 52,815 17,957 0,2641 0,0898
Республика Ингушетия 1102,5 374,85 2,7563 0,937 0,0138 0,0047
Кабардино- Балкарская Республика 1125 382,5 2,8125 0,9563 0,0141 0,0048
Карачаево- Черкесская Республика 1269 431,46 3,1725 1,079 0,0159 0,0054
Республика Северная Осетия -Алания 720 244,8 1,8 0,612 0,0090 0,0031
Чеченская Республика 1332 452,88 3,33 1,1322 0,0167 0,0057
Ставропольский край 11637,5 3956,75 29,0938 9,8919 0,1455 0,0495
Всего 38312,0 13026,08 95,7801 32,5654 0,4791 0,163
Территория Чеченской Республики относится к району со средним уровнем ветровой энергии. Характерной особенностью ветровой обстановки является неравномерность распределения скорости ветра по территории и интенсивности в различные периоды года.
Наиболее распространенным видом местных ветров являются горно-долинные ветры, возникающие за счет контрастов температуры воздуха отдельных частей долин или котловин и склонов. Горно-долинные ветры характеризуются суточной сменой направления. Летом горно-долинная циркуляция выражена наиболее ярко и достигает
максимальной мощности.
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ОКРУГ
1-Ставропольский край 5-Северная Осетия-Алания
2-Да геста н
3-Карачаев-Черкессия 6-Ингушетия
4-Кабардино-Балкария 7-Чеченская Республика
Рис. 2. Распределение валового потенциала ветровой энергетики по СКФО
Большое разнообразие форм рельефа сказывается и на распределении повторяемости штилей. В замкнутых котловинах и под склонами гор наблюдается наибольшая повторяемость штилей - 44-58%; в предгорных и горных районах - до 30%.
Средняя годовая скорость ветра изменяется в довольно широких пределах - от 0,8 до 6,0 м/сек. Годовой ход скорости ветра определяется годовым ходом атмосферной циркуляции. Однако, как и в распределении направлений ветра, большое влияние на скорость оказывает орография.
Наиболее сильные ветры наблюдаются в высокогорных районах в открытых формах рельефа и там, где орографические факторы способствуют увеличению барических градиентов и приводят к сходимости воздушных потоков. Средняя годовая скорость ветра в этих районах достигает 5 - 6 м/сек, на открытых равнинах и в широких долинах - несколько ниже и составляет 3 - 4 м/сек, в предгорьях - до 3, в замкнутых котловинах и в низинных южных районах не превышает 1 - 2 м/сек.
Таблица 2
Повторяемость направления ветра и штилей (%)__________________
Пункты С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Штиль
Наурская 4 8 31 6 2 4 32 13 18
Шелковская 4 8 30 9 3 14 24 8 11
Грозный 5 11 26 5 4 8 17 24 48
Орджоникидзевская 4 6 22 8 2 8 37 13 12
Урус-Мартан 13 14 8 5 19 19 13 9 35
Ведено 8 10 25 13 1 4 27 12 24
Шатой 30 34 8 7 11 4 2 4 22
Армхи 1 1 4 35 7 5 28 19 36
В годовом ходе наибольшая скорость ветра, как правило, отмечается весной или зимой при усилении циклонической деятельности, наименьшая - летом и осенью. Как показывают наблюдения, наибольшую повторяемость в большинстве районов имеет ветер скоростью 1 - 5 м/сек (70 - 90 %). Скорости ветра больше 10 м/с редки и их повторяемость не превышает 10 %. В долинах и котловинах наблюдается в среднем 5 -15 дней в году с сильным ветром. В отдельных формах рельефа на большой высоте и в местах сужения
долин число дней с сильным ветром достигает 20-30.
Повторяемость направлений ветра рассчитана в процентах от общего числа случаев направлений ветра без учета штилей.
Повторяемость штилей рассчитана в процентах от общего числа случаев наблюдений.
По материалам таблицы можно сделать вывод, что на Терско -Кумской равнине, Терско-Сунженской возвышенности, Чеченской равнине, в восточной горной части (Ведено) территории республики преобладают ветры западных и восточных румбов, причем в большей степени - ветры западного направления.
Преобладание западных ветров над восточными характерно для летних месяцев. В ст. Орджоникидзевской, г. Гудермесе западные ветры преобладают в течение всего года.
Совершенно другая обстановка циркуляции сложилась в центральной части Чеченской наклонной равнины (Урус-Мартан) и в межгорных котловинах (Шатойской и Итум-Калинской).
На ветровой режим района селения Урус-Мартан, расположенного на наклонной равнине вблизи гор, оказывают влияние ветры типа горно-долинных. Здесь преобладают ветры северных (36%) и южных (45%) румбов.
Амплитуда повторяемости северных ветров колеблется в пределах 8-17 %. Уменьшение повторяемости северных ветров приходится на летние месяцы (июнь - 8 %). Повышение повторяемости ветров северного направления наблюдается в феврале-марте, с вершиной большего значения (17%) в марте (рис. 3).
Рис. 3. Распределение направлений ветров
Ветры южных направлений имеют два спада, приходящиеся на весну и осень. Причем, глубина амплитуды опускается (8%) в апреле месяце. Гребни амплитуд имеют максимальные значения в июне - августе (июнь - 23 %), зимой - в ноябре-феврале (декабрь - 24 %).
Ветры других румбов в районе Урус-Мартана имеют меньшее значение. Ветровой режим Шатойской межгорной котловины (с. Шатой - 528 м) целиком подчинен орографии окружающих ее гор. Проникновению западных и восточных ветров в котловину мешают горные хребты, имеющие меридиональное направление. Восточные ветры в некоторой мере здесь преобладают над западными. Их годовое значение составляет 8 % (по сравнению с 2 % направлением западных ветров).
В этой котловине хорошо развита и прослеживается циркуляция горно-долинных ветров, так как ее с юга на север прорезает глубокая долина реки Аргун. В котловине, в основном, преобладают северные долинные ветры, дующие со стороны Чеченской наклонной равнины. Годовая повторяемость направления северных ветров составляет
30%, северо-восточных - 34 %, северо-западных - всего 4 %. Южные ветры составляют 11 %, но по сравнению с восточными и, тем более, с западными ветрами - это высокий процент.
Таким образом, в межгорных котловинах господствуют горно-долинные ветры, ориентированные по направлению прорезающих их долин.
В Грозном в ночные часы активно проявляют себя ветры западных (23%) и восточных (18%) направлений. В утренние часы активность западных ветров увеличивается (26%), а восточных - несколько падает (14%). В середине дня, наоборот, активизируются восточные ветры (29%) и еще больше они усиливают свою повторяемость в вечерние часы (37%). Западные ветры уменьшают свои показатели до 12%. Штилевая обстановка характерна для ночных часов (66%). В середине дня она падает в три раза (22%).
В Шатойской котловине на протяжении суток сохраняется основная повторяемость направления ветра - господствуют ветры северных направлений.
Штилевое состояние воздушных масс характерно для населенных пунктов Чеченской равнины и межгорных котловин. Грозный имеет самый высокий годовой процентный показатель штиля - 48, а наименьший - Гудермес, где количество дней со штилем составляет всего 4 %. Это самая ветровая местность в республике. Количество дней со штилем в бассейне Терека колеблется от 11 процентов на востоке (Шелковская), до 18 на западе (Наурская).
Направление ветра в различные часы суток можно проследить по многолетним наблюдениям в Грозном и Шатое (табл. 3).
Штили приурочены, в основном, к ночным часам (24%), днем они падают в пять раз (5%).
Таблица 3
Повторяемость направления ветра и штилей в различные часы суток
Часы С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Штиль
г. Грозный
1 час. 3 8 18 4 4 8 23 32 66
7 час. 3 7 14 4 7 10 26 29 62
13 час. 7 15 29 7 3 4 12 23 22
19 час. 3 11 37 4 4 11 12 18 40
с. Шатой
1 час. 18 26 16 15 16 6 2 1 24
7 час. 21 27 11 9 18 8 3 3 33
13 час. 43 43 1 1 3 2 1 6 5
19 час. 30 36 10 5 11 4 1 3 25
Таблица 4
Средняя месячная и годовая скорости ветра (м/с)__________________
Пункт Месяцы Год
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Наурская 2.1 2.5 2.9 3.2 2.8 2.9 2.7 2.5 2.2 2.2 2.4 2.1 2.5
Шелковская 3.0 3.6 4.1 4.5 3.9 3.6 3.4 3.5 3.2 3.2 3.6 3.0 3.6
Грозный 1.4 1.8 2.2 2.5 2.5 2.5 2.3 2.1 1.8 1.6 1.5 1.3 2.0
Г удермес 2.8 2.9 3.2 3.8 3.6 3.9 3.7 3.6 3.2 2.8 2.9 2.8 3.3
Орджоникидзевска я 2.0 2.3 2.3 2.5 2.4 2.3 2.4 2.2 1.9 2.0 1.9 2.0 2.2
Урус-Мартан 1.0 1.3 1.6 1.7 1.6 1.7 1.4 1.4 1.1 1.1 1.2 1.0 1.3
Ведено 1.5 1.6 1.7 1.7 1.4 1.3 1.1 1.1 1.2 1.4 1.4 1.4 1.4
Шатой 2.2 2.4 2.7 2.4 2.0 1.7 1.6 1.6 1.7 2.0 2.3 2.1 2.0
Армхи 2.0 2.1 2.1 2.3 2.2 2.2 2.0 2.1 2.1 2.1 1.9 1.9 2.1
Максимальные скорости ветра в горах приурочены к двум летним месяцам (июль, август). Направление ветров - западной ориентации.
Расчеты ветрового потенциала выполнялись для различных климатических зон территории: горной части, средней полосы и затеречной равнины, с пересчетом скоростей ветра и повторяемостей с высоты флюгеров на высоту 75 метров (высота ветроэнергетической установки мощностью 500-750 кВт). Ветроэнергетический валовый потенциал по проведенным расчетам составляет 1406,0 млрд кВт-ч/год технический потенциал составляет -14,0 млрд кВт-ч/год.
Солнечная энергетика. Солнечная энергетика - наука, изучающая процесс преобразования солнечного света в электрическую и тепловую энергию. Процесс преобразования солнечного света в электрическую энергию представляет собой преобразование ее с помощью специальных полупроводниковых элементов -фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Излучение Солнца — основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной — количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1370 Вт/м2.
Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м2, и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м2 (при ясной погоде и когда Солнце находится в зените). Эта энергия может использоваться в различных естественных и искусственных процессах. Прямое нагревание солнечными лучами или преобразование энергии с помощью фотоэлементов может быть использовано для производства электроэнергии (солнечными электростанциями).
В силу протяженности территории России уровни солнечной радиации в различных регионах существенно варьируются. Так, солнечная радиация в отдаленных северных районах составляет 810 кВт.час/м2 в год, тогда как в южных районах она превышает 1400 кВт.час/м2 в год. Ее значения демонстрируют также сезонные колебания. Например, на широте 55° солнечная радиация составляет в январе 1,69 кВт.час/м2 в день, а в июле — 11,41 кВт.час/м2 в день.
По данным официальной статистики, представленные Институтом энергетической стратегии: совокупный потенциал солнечной энергии составляет 2300000 млн. т.у.т., технический потенциал - 2300 млн. т.у.т. (это в 2 раза превышает суммарное энергопотребление по стране) и экономический - 12,5 млн. т.у.т. Эти данные опровергают существующие мнения о недостаточном потенциале российской солнечной энергетики и нецелесообразности ее развития в России.
Наиболее значительный потенциал использования солнечной энергии в следующих регионах:
• юго-запад России (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей);
• Южная Сибирь;
• Дальний Восток.
Рис.5. Ресурсы солнечной энергии субъектов СКФО (Валовый потенциал, млрд. т у.т.)
Рис. Ресурсы солнечной энергии субъектов ЮФО (Валовый потенциал, млрд. т у.т.)
Данные по ресурсам солнечной энергии субъектов ЮФО и СКФО (млрд. т у.т.)
Субъекты Российской Федерации Валовый потенциа л млрд. т у.т. Технический потенциал Экономический потенциал
і одство тепла млн. т § ^ а ' Ё £ ^ Ї сду е е од л н ^ т т ° н . « к Н га з одство тепла тыс. т одство электро энергии тыс т ° н <5 6 Н га н
Южный федеральный округ
Республика Адыгея 1,3 6,4 0,5 6,9 13,6 0,2 13,8
Республика Калмыкия 12,9 74,4 5,4 79,8 13,2 0,1 13,3
Краснодарский край 14 81,8 5,8 87,6 179,7 2,6 182,3
Астраханская область 7,5 46,7 3,1 49,8 32,2 0,6 32,8
Волгоградская область 17,8 96,5 7,4 103,9 57,8 2,8 60,6
Ростовская область 15,7 85,4 6,6 92 107,6 2,3 109,9
Всего в том числе 69,2 391,2 28,8 420 404,1 8,6 412,7
Северо-Кавказский федеральный округ
Республика Дагестан 8,6 49,2 3,6 52,8 87,1 0,6 87,7
Республика Ингушетия 0,6 3,1 0,2 3,3 10,5 0,1 10,6
Кабардино-Балкарская Республика 2 10,6 0,8 11,4 18,1 0,3 8,4
Карачаево-Черкесская Республика 2,3 12,1 1 13,1 17,1 0,2 17,3
Республика Северная 1,3 6,8 0,6 7,4 16,1 0,4 16,5
Осетия -Алания
Чеченская Республика 3,2 16,4 1,3 17,7 31,3 0,2 31,5
Ставропольский край 13,5 78,8 5,6 84,4 95,7 1,3 97
Всего в том числе 31,5 177 13,1 190,1 275,9 3,1 269
Положение Чеченской Республики между 42о и 46о северной широты обуславливает интенсивный приток солнечной радиации (рис. 4.). Запасы солнечной энергии, выраженные величиной радиационного баланса, в равнинных и предгорных районах составляют 50-55 ккал/см2 в год. С увеличением высоты местности радиационный баланс уменьшается и на высоте 2500 м его значения не превышают 30-35 ккал/см2; в высокогорной зоне он уменьшается до отрицательных величин и в среднем на высоте более 3000 м равен -3^4 ккал/см2. На равнинной части территории Чечни радиационный баланс положительный почти в течение всего года. С увеличением высоты местности в зимние месяцы расходная часть баланса начинает превышать приходную. Большое разнообразие физико-географических условий Чечни обусловливает и большое разнообразие в распределении продолжительности солнечного сияния.
Продолжительность солнечного сияния составляет в среднем 330 дней в году, а плотность солнечного излучения доходит до 0,33 кВт/м2 и более на равнинной части территории и в горных районах - 0,46кВт/м2 .
Дни «без солнца» наблюдаются редко - 34 - 40 дней в долинно-предгорных районах и 10 - 12 дней в высокогорьях, и лишь наибольшее их количество составляет 61 день в равнинной части территории. Наибольшее количество дней «без солнца» наблюдается в зимнее время 6 - 12 дней. С июня по сентябрь наблюдается всего 1 - 5 дней «без солнца» в десятилетие. В целом за год, облачность снижает поступление прямой радиации на 20^25% от потенциально возможной.
Суммарная радиация определяется общим приходом прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность. Максимальной интенсивности суммарная радиация на всей территории республики достигает в мае - июле месяцах. Интенсивность суммарной радиации изменяется для предгорных районов от 280 до 300 мДж/м2. В высокогорных районах она колеблется от 360 до 400 мДж/м2.
43,5
43,0
■
______________42,5
Рис. 4. Приход солнечной энергии на территорию Чеченской Республики. Числитель - полная; знаменатель - рассеянная.
Валовый потенциал солнечной энергии для территории Чеченской республики оценивается как 1,365 кВт-час/(м2-год). В настоящее время эффективность
преобразования энергии кремниевых фотоэлектрических источников серийно выпускаемых промышленностью составляет 12-17%.
Технический потенциал по получению электрической энергии ( с учетом площади занимаемой преобразователями 0,01% от всей площади территории и КПД установок 15%) составляет - 3.03 млрд кВтчас/год и, как показывают расчеты, 1м2 гелиоколлектора позволяет сэкономить 0,15-0,2 тонн ископаемого топлива в год.
Литература
1.Атлас ветрового и солнечного климатов России / Под ред. Борисенко М.М., Стадник В.В.-Спб.: 1997.
2.Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М.:Колос. 2008.196 с.
3.Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 276 с.
4.Керимов И.А., Гайсумов М.Я. Ресурсный потенциал возобновляемых источников энергии территории Чеченской Республики// Фундаментальные проблемы пространственного развития Юга России: междисциплинарный синтез. Тезисы Всесоюзной научной конференции (28-29 сентября 2010 г., Ростов-на-Дону)/ Отв. ред. акад. Матишов Г.Г. Ростов-на-Дону: ЮНЦ РАН, 2010. С. 148-150.
5.Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии/А.А.Бурмистров, В.И.Виссарионов, Г.В.Дерюгин и др.-М.: МЭИ, 2009.-144 с.
6.Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Ч.1-6. Вып.13.Л.: Гидрометиздат.1990. 724 с.
7.Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. М.: КНОРУС, 2010. 232 с.
