Введение

Республика Казахстан является участником Рамочной конвенции ООН по изменению климата, которую она ратифицировала в 1995г. В соответствии с Рамочной Конвенцией (РКИК ООН) Казахстан имеет обязательства по выполнению программ, связанных со снижением выбросов в атмосферу «парниковых газов» (ПГ), ответственных за происходящее глобальное потепление климата Земли. Одним из путей снижения выбросов ПГ является замещение традиционных источников энергии в виде нефти, угля и газа, возобновляемыми источниками энергии, такими как гидро, ветро и солнечная энергии, ресурсами которых так богат Казахстан.

9 февраля 2011 года, в  г. Астане   Программа развития ООН в Казахстане и ОЮЛ «Казахстанская электроэнергетическая ассоциация» подписали Меморандум о сотрудничестве в области развития возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Казахстане.  Эту  дату можно считать  отправной  точкой, началом деятельности Комитета  по Возобновляемым Источникам Энергии  Казахстанской энергетической ассоциации. 

В ходе подписания меморандума между КЭА и ПРООН, говоря о роли развития возобновляемых источников энергии, Алмасадам Саткалиев, Председатель Совета директоров КЭА отметил что: - «это отвечает интересам потребителей и экономики. У Казахстана имеется огромный ветровой потенциал, который следует использовать для диверсификации производства электрической энергии и снижения эмиссий парниковых газов в рамках выполнения обязательств Республики Казахстан по Киотскому Протоколу. Ключевые задачи, которые ставит Ассоциация – участие в развитии нормативно-правового регулирования и поддержка проектов ВИЭ разного масштаба в Казахстане».

Комитет по Возобновляемым источникам энергии РК ставит несколько задач, одной из которых является - содействие развитию научных исследований в области использования возобновляемых ресурсов и источников энергии. Данную задачу мы поставили как цель исследования нашей работы. Предметом исследования служит характеристики ВЭУ для условий Акмолинской области.

Развитие казахстанской ветроэнергетики постепенно становится частью всемирного процесса, который направлен на увеличение доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом энерго производстве. Развитие этой отрасли в Казахстане происходит при реальной финансовой и технической поддержке со стороны государства. В период с 2012 по 2014 год ожидается начало массового строительства ветроэлектростанций. В настоящее время в Казахстане уже начата работа по строительству ветропарков. Несмотря на то что сейчас доля ВИЭ в общем объеме производства электроэнергии равна 0,5 %, в 2014 году этот показатель должен составить 1 %, а к 2020 году-3 %.

Задачи состоят в расчетах и обработках данных имеющихся в разных источниках информации [ссылка на литру сайты].

1. Определения зависимости скорости ветра от высоты.

2. Расчет валового и технического потенциала (ресурса) для Акмолинской области.

3. Анализ полученных данных и эффективность их дальнейшего применения.

Историческое развитие ветроэнергетики.

Ветер - неограниченный ресурс для производства электроэнергии. Он есть везде, бесконечен, экологически чист. Использование энергии ветра началось на самом раннем этапе человеческой истории. Древние персы (территория современного Ирана) использовали силу ветра для разлома зерна. В средневековой Голландии ветряные мельницы служили не только для размола зерна, но и для откачки воды с польдеров. В середине 19 века в США был изобретён многолопастной ветряк, использовавшийся для подъёма воды из колодцев.

В наши дни, энергия ветра, наиболее популярна среди альтернативных источников электроэнергии, но, пока не настолько, чтобы составить реальную конкуренцию традиционным энергоносителям. Кроме этого,  сказывается недостаток  информации и очевидная неготовность общества думать об экологически безмятежном будущем грядущих поколений. 

Она оказалась в незаслуженном забвении с 20-30-х годов XX века из-за промышленного бума и безудержного роста мегаполисов, когда энергии нужно было побольше и подешевле. Кроме того, в то время, силу ветра не увязывали именно с процессом получения электричества, хотя это уже было возможно. Она скорее рассматривалась как вспомогательное средство, например, ветра-насосы для закачки воды из скважин в резервуары на удаленных фермах, или как экзотический способ для приятных морских путешествий под парусом.

Начало ренессанса ветроэнергетики приходится на 60-70 годы двадцатого столетия. Оно было вызвано заметным удорожанием традиционных способов получения энергии, и осознанием связанных с ними проблем экологии, особенно в крупных городах и промышленных центрах. Кроме этого в ряде регионов с ростом населения и увеличением объёмов потребления электроэнергии, ее стало просто катастрофически не хватать. Этот дисбаланс между производством и потреблением мог составить 30-40, а то и все 50%. Еще одним фактором, повлиявшим на возобновлении интереса к энергии ветра, стал технический прогресс. Парадоксально, но возвращение на рынок старой, казалось забытой технологии стало возможно благодаря развитию новых, особенно в сфере строительства и промышленного производства. Представьте себе огромные лопасти ротора, который установлен на мачте или как принято сегодня говорить башне, достигающей 80 или даже 120 метров высоты и передаточным механизм внутри вращающим генератор, который производит электричество.  То, благодаря чему, сотни лет люди ходили под парусом, мололи зерно и качали воду из-под земли, сегодня может обеспечивать нас электроэнергией и при этом сравнительно недорого. Простой ветер, как и раньше на протяжении всей истории может использоваться, чтобы делать для нас полезную и нужную работу. Кинетическая энергия ветра может быть изменена в другие формы энергии, в механическую, а за тем и в электрическую.

Ветер нужной силы (от 6,5-7 м/с) дует во многих регионах земли. Как правило, он должен быть больше этой скорости, чтобы вращать турбины достаточно быстро, и производить электроэнергию. Сегодня можно обзавестись и использовать отдельную турбину средней мощности для частного дома, фермы или сельской школы. Она дает вполне достаточно энергии для этого. Современные турбины средней мощности обычно производят от 50 до 300 киловатт каждая. Турбина в 300 киловатт (300,000 ватт) может дать энергию для 3000 лампочек по 100 ватт. Единственная проблема с ветром состоит в том, что он не дует с постоянной силой и в одном и том же направлении все время.

1. Общая характеристика ветроэнергетических установок.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) преобразует кинетическую энергиюветра в механическую или электрическую энергию, удобную для практического пользования. Механическая энергия, главным образом, используется для подъема воды в сельских или удаленных местностях. Ветроэнергетические установки производят электрическую энергию для бытовых или промышленных нужд, работают в общей электрической сети или автономно, или совместно с другими автономными электростанциями. Существует два основных вида установок: ветроустановки с горизонтальной осью вращения и ветроустановки с вертикальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют 98% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.

Ветроустановка включает следующие основные элементы и узлы: ротор или ветроколесо, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала; кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор (некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другое механическое и электрическое оборудование; башню, которая поддерживает ротор и кабину; электрическое и электронное оборудование: панели управления, электрические кабели, система заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты и др.; фундамент, определяющий устойчивость ветроустановки при воздействии нагрузки.

При возможности взаимодействии воздушного потока с лопастями ветроколеса возникают соответствующие силы. Так если обозначить скорость воздушного потока v₀,а скорость лопасти v, то результатом этого взаимодействия будет скорость потока относительно лопасти, которую обозначим v_вз.

При этом взаимодействия возникают:

1. Сила сопротивления F_c, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока v_вз;

2. Подъёмная сила F_n, направленная перпендикулярно силе F_c. В отличие от самолетов, эта сила не поднимает ВЭУ, а заставляет вращаться ветроколесо;

3. Завихрение обтекающего лопасти потока воздуха, в результате которого возникает закрутка воздушного потока за ветроколесом, т.е. его вращение относительно вектора скорости набегающего потока v₀;

4. Турбулизация потока воздуха, т.е. хаотическое распределение скорости отдельных его частей по величине и направлению. При этом турбулентность возникает как перед лопастью, так и после неё.

5. Препятствие для набегающего потока. Последнее свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением, которое равно отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку (плоскость вращения лопастей) к ометаемой ими площади. Коэффициент геометрического заполнения прямо пропорционален количеству лопастей.

2. Климатологические характеристики ветровой энергии

Ветер на различных высотах в атмосфере Земли для каждой точки, ее поверхности характеризуется скоростью, которая, строго говоря, является случайной переменной в пространстве и времени, зависящей от многих факторов местности, сезона года и погодных условий. Поэтому процессы, напрямую связанные с использованием текущего значения скорости ветра, в частности, генерация электроэнергии в ветроэлектрических установках (ВЭУ), имеют сложный случайный характер, так что их характеристики обладают статическим разбросом и неопределенностью средних ожидаемых значений. Поэтому на современном уровне исследований задача их оценки формулируется как создание вероятностного описания случайного процесса посредством разбиения всего временного процесса на отдельные временные интервалы, в пределах каждого из которых можно использовать приближение стационарности, т.е. независимости всех определяемых параметров от времени. В качестве периода стационарности могут быть приняты различные временные интервалы с соответствующей точностью описания, в зависимости от реальных условий случайного процесса. В частности, в некотором приближении можно считать процесс стационарным во всем рассматриваемом времени, например, в течение дня, месяца и года.

Для систематизации характеристик ветровой энергии в конкретном регионе с целью ее эффективного использования, как правило, разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также целесообразные параметры и работы ВЭУ.

Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

• Среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;

• Повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

• Максимальная скорость ветра;

• Распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

• Удельная мощность и удельная энергия ветра;

• Ветроэнергетические ресурсы региона.

  Шкала Бофорта - условная шкала для визуальной оценки силы (скорости) ветра в баллах по его действию на наземные предметы или по волнению на море. Была разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 году и сначала применялась только им самим. В 1874 году Постоянный комитет Первого метеорологического конгресса принял шкалу Бофорта для использования в международной синоптической практике. В последующие годы шкала менялась и уточнялась. Шкалой Бофорта широко пользуются в морской навигации. Сила ветра у земной поверхности по шкале Бофорта  (на стандартной высоте 10 м над открытой ровной поверхностью) Баллы Бофорта Словесное определение силы ветра Скорость ветра, м/сек Действие ветра на суше на море 0 Штиль 0-0,2 Штиль. Дым поднимается вертикально Зеркально гладкое море 1 Тихий 0,3-1,5 Направление ветра заметно по относу дыма, но не по флюгеру Рябь, пены на гребнях нет 2 Лёгкий 1,6-3,3 Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, приводится в движение флюгер Короткие волны, гребни не опрокидываются и кажутся стекловидными 3 Слабый 3,4-5,4 Листья и тонкие ветви деревьев всё время колышутся, ветер развевает верхние флаги Короткие, хорошо выраженные волны. Гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену, изредка образуются маленькие белые барашки 4 Умеренный 5,5-7,9 Ветер поднимает пыль и бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев Волны удлинённые, белые барашки видны во многих местах 5 Свежий 8,0-10,7 Качаются тонкие стволы деревьев, на воде появляются волны с гребнями Хорошо развитые в длину, но не очень крупные волны, повсюду видны белые барашки (в отдельных случаях образуются брызги) 6 Сильный 10,8-13,8 Качаются толстые сучья деревьев, гудят телеграфные провода Начинают образовываться крупные волны. Белые пенистые гребни занимают значительные площади (вероятны брызги) 7 Крепкий 13,9-17,1 Качаются стволы деревьев, идти против ветра трудно Волны громоздятся, гребни срываются, пена ложится полосами по ветру 8 Очень крепкий 17,2-20,7 Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно Умеренно высокие длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по направлению ветра 9 Шторм 20,8-24,4 Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу Высокие волны. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн начинают опрокидываться и рассыпаться в брызги, которые ухудшают видимость 10 Сильный шторм 24,5-28,4 Значительные разрушения строений, деревья вырываются с корнем. На суше бывает редко Очень высокие волны с длинными загибающимися вниз гребнями. Образующаяся пена выдувается ветром большими хлопьями в виде густых белых полос. Поверхность моря белая от пены. Сильный грохот волн подобен ударам. Видимость плохая 11 Жестокий шторм 28,5-32,6 Большие разрушения на значительном пространстве. На суше наблюдается очень редко Исключительно высокие волны. Суда небольшого и среднего размера временами скрываются из вида. Море всё покрыто длинными белыми хлопьями пены, располагающимися по ветру. Края волн повсюду сдуваются в пену. Видимость плохая 12 Ураган 32,7 и более   Воздух наполнен пеной и брызгами. Море всё покрыто полосами пены. Очень плохая видимость

• Источниками получения исходной информации являются:

а) метеостанции, на которых осуществляются измерения всех климатологических параметров, в том числе скорости ветра, обычно 4 раза в сутки. В современных метеостанциях измерения проводятся по румбам (многолетние наблюдения);

б) метеостанции непрерывного наблюдения, как правило, сооружаемые на предполагаемых площадках установки ВЭУ;

в) аэрологические станции (зонды и шары),запускаемые периодически на разные высоты.