Христодуло О.И. (o-hristodulo@mail.ru), Горшкова Н.Ю., Уфимский государственный авиационный технический университет, г.Уфа
GIS for Searching of Renewable Energy Promising Sources within Bashkortostan
Описываются сферы применения ГИС для оценки территории с позиций ветроэнергетики, создан модуль расчета энергетического потенциала, выдаваемого ветроустановкой или ветропарком на заданном участке в пределах Республики Башкортостан.
Интерес к развитию возобновляемой энергетики неуклонно растет во всем мире, поскольку нетрадиционные источники энергии (ветер, солнце, биомасса и др.) – экологически чистые, неисчерпаемые (возобновляемые), доступные практически в любом регионе мира, что является существенным фактором для энергетической безопасности каждой страны.
Ветровая энергия играет важную роль среди нетрадиционных источников энергии. По данным Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) 25% площади поверхности земли удовлетворяет условиям для эффективного функционирования ветроустановок [1]. Уже сейчас общая установленная мощность действующих ветрогенераторов сопоставима с суммарной мощностью атомной энергетики. В то же время из статистических данных Европейской Ассоциации ветроэнергетики за период 2009-2011 годов следует, что суммарные установленные мощности в России значительно ниже, чем в других странах мира (рис. 1а); процентное соотношение вырабатываемой электроэнергии показано на рисунке 1б [2].
Рис. 1 Ветроэнергетика: а) суммарные установленные мощности ветроустановок в странах мира за 2009-2011; б) процентное соотношение выработанной электроэнергии за 2009 – 2011 годы.
Потенциал ветровой энергии России, по мнению Мировой Ассоциации Ветроэнергетики, оценивается свыше 50000 млрд кВт⋅ч/год, однако суммарная вырабатываемая мощность ветровой энергии в России за 2010 год составила только 15,4 МВт [3]. В соответствии с ФЗ РФ № 261 Ст.14 П.3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации», утвержденным президентом Российской Федерации 23 ноября 2009 года, и Энергетической Стратегией РБ на период до 2020 года, развитие и активное использование возобновляемых источников энергии является энергетической прерогативой нашей страны, в том числе и Республики Башкортостан. В России проектными разработками по созданию демонстрационных энергетических комплексов занимается РАО «ЕЭС России». Анализ территории Башкортостана показал, что в районах Башкирии имеется техническая возможность установить свыше 500 ветроустановок (ВЭУ) с выработкой электроэнергии 6323,2 млн кВт⋅ч [4]. Однако на сегодняшний день в регионе функционирует только одна ветроэнергетическая станция (ВЭС) «Тюпкильды» (Туймазинский район), которая в 2010 г. выработала 0,30 млн. кВт/ч.
Приведем наиболее востребованные задачи в области ветроэнергетики, решения которых актуальны для специалистов региональных энергетических комплексов:
- создание единой базы данных для прогнозирования развития ветроэнергетики, как самостоятельной области энергетического комплекса;
- анализ ветроэнергетического потенциала территории региона с последующей автоматизацией расчета количества электроэнергии;
- расчет электроэнергии, выдаваемой одной ВЭУ или комплексом ветроустановок на территории региона;
- использование широкого функционала геоинформационных систем (ГИС), включая покоординатный ввод пространственных объектов с их атрибутами, поиск по различным критериям и т.д., а также общегеографической и тематической информации (расположение станций и подстанций, ВЭС, среднегодовые скорости ветра и др.) для прогнозирования и определения местоположения ВЭУ с целью наиболее эффективного ее использования и выработки электроэнергии.
Для решения вышеперечисленных задач необходимо и целесообразно использовать инструментарий геоинформационных технологий, поскольку они позволяют визуализировать как общегеографические, так и узкоспециализированные тематические данные в области ветроэнергетики. Актуально представление в ГИС большого массива информации о взаимосвязанных элементах ветроэнергетики, отображение в картографическом виде различных результатов, таких как расчет энергетического потенциала в определенной области, использование инструментов пространственного моделирования структуры и работы системы по использованию энергии ветра.
Для автоматизации расчета выдаваемой энергии ветра на территории Республики Башкортостан с использованием геоинформационных технологий разработан модуль, целью которого является расчет энергетического потенциала, выдаваемого одной ветроустановкой (ВЭУ) или ветропарком на заданном участке территории Башкортостана. Модуль предназначен для специалистов в сфере энергоснабжения и ветроэнергетики и позволяет определить местоположение будущей ВЭУ за счет анализа территории республики и расчета выдаваемого энергетического потенциала на заданной территории с учетом среднегодовых скоростей ветра и индивидуальных параметров ВЭУ с помощью ГИС-технологий на платформе ArcGIS. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- визуализация пространственных данных (местоположения действующих ВЭУ, электростанций и подстанций, населенных пунктов, лесных и водных объектов и др.);
- ввод картографических данных по координатам (рис. 2) и атрибутивной информации, необходимой для расчета электроэнергии, а также возможность занесения специалистом параметров ВЭУ с добавлением фотографий и различных климатических данных (с последующей проверкой на достоверность внесенных данных администратором);
Рис. 2 Покоординатный ввод и поиск пространственных объектов. - поиск пространственных объектов по различным критериям (представлено на рисунке 2);
- получение атрибутивной (справочной) информации о пространственных объектах (ВЭУ, электростанции, подстанции и др.) – представлено на рисунке 3;
Рис. 3 Получение атрибутивной информации о пространственных объектах. - идентификация пространственных объектов;
- визуализация картографических данных в разных масштабах;
- расчет ветровой энергии на выбранной специалистом области территории Республики Башкортостан;
- формирование полного отчета о выбранной специалистом установке и выдаваемой на данной территории ветровой энергии, выработанной конкретной ветроустановкой, включая множество параметров заданной ВЭУ.
Анализ эффективного использования ветроэнергетики в Республике Башкортостан показал, что важными факторами для выбора оптимального месторасположения ВЭУ являются климатические и синоптические параметры региона – влияние циклонов и антициклонов, температурные особенности местности, среднегодовая скорость ветра на различных высотах, направления ветров и другие факторы. В связи с этим, база пространственных данных разрабатываемого модуля расчета энергетического потенциала, выдаваемого одной ветроустановкой, наряду с общегеографической информацией, включающей: топологическую карту РБ масштаба 1:100000, гидрографию, лесные объекты, населенные пункты, административные районы, – содержит и специализированную информацию: среднегодовые скорости ветра по районам республики, местоположения установок (ВЭУ, станций и подстанций). Для создания базовой карты среднегодовых скоростей ветра на высоте 20 метров был применен метод интерполяции, в результате чего были построены полигональные области, отражающие действительную скорость ветра на территории Республики Башкортостан (рис. 4).
Рис. 4 Базовая карта среднегодовых скоростей ветра на территории РБ.
Алгоритм расчета количества ветровой энергии, выдаваемой одной ветроустановкой с горизонтальной осью вращения ветроколеса, основан на следующей формуле [1]:
Pвиэ = 0,3925 • ρ • Cр • Д2 • V3 • ηред • ηген [Вт],
где Pвиэ – энергетический потенциал, V – скорость ветра, Д – диаметр ветроколеса, ρ – плотность воздуха (1,22кг/куб.м), Cp – коэффициент использования энергии ветра, ηред – коэффициенты полезного действия редуктора, ηген – коэффициент преобразования механической энергии в электрическую.
Для расчета энергетического потенциала, выдаваемого одной ВЭУ, необходимо выбрать интересующий участок на электронной топографической карте Республики Башкортостан 1:100 000 и все необходимые поля по характеристикам ветроустановки. Пример результата расчета количества ветровой энергии представлен на рисунке 5.
Рис. 5 Пример функции ввода параметров ВЭУ специалистом и расчет выдаваемой ветровой энергии.
В результате применения разработанного модуля специалисты в сфере ветроэнергетики получают реальную возможность проанализировать территорию Республики Башкортостан и оценить объективную возможность и целесообразность установки ВЭС за счет расчета энергетического потенциала на территории региона, использовать такие функции ГИС, как покоординатный ввод пространственных объектов и данных по ним, идентификация пространственных объектов, анализ местоположения для установки потенциальной ВЭУ, поиск пространственных объектов по различным критериям, масштабирование пространственных объектов и выбор специалистом интересующей области (точечно, покоординатно, полигональная область или административный район).
Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью во всем мире и непременно в ближайшем будущем станет неотъемлемой частью электроэнергетики России. Никакие природные катаклизмы и ошибки эксплуатации не могут вызвать катастрофические последствия из-за ветроэнергетики. Кроме того, ветровая энергия обладает решающими экологическими преимуществами перед топливной энергетикой: всего одна ветроустановка мощностью 1 МВт может обеспечить электричеством от 1000 до 1500 домов в год без загрязнения окружающей среды. Возможность резервирования энергоснабжения потребителей является решающей составляющей в пользу создания ВЭС.
Литература
- Абдрахманов Р.Р. Ветроэнергетические ресурсы Республики Башкортостан Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО: Матер. / Междунар. науч.-практ. конф. Уфа, 2003. С. 294-296.
- Шпильрайн Э.Э. Возобновляемые источники энергии и их перспективы для России // Энергетика России: проблемы и перспективы: Труды / Науч. Сессии РАН: М.: Наука, 2006. С. 284-292.
- Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветроэнергетика#cite_note-smen-11
- Абдрахманов Р.Р. Возобновляемые источники энергии Башкортостана. Дис. канд. техн. наук, Уфа, 2008. 107 стр.
