Бойко С.М. к.т.н., Некрасов А.В. к.т.н., доцент, Дмитренко А.Ю. асп.

Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського

Теоретичні аспекти та передумови впровадження вітроенергетичних станцій для електропостачання насосних станцій в межах берегових зон водойм України

Вступ. Україна має потужні ресурси вітрової енергії: річний технічний вітроенергетичний потенціал дорівнює 30 млрд. кВт×год. Експлуатація тихохідних багатолопатевих вітроустановок з підвищеним обертаючим моментом є ефективною практично на всій території України [1].

В Україні налічується близько 30 тисяч водосховищ, ставків, великих каналів, з поміж яких 10 великих водоводів у водозабірних басейнах річок. У зв’язку з цим в країні створено комплекс водозахисних дамб загальною протяжністю 3,8 тис. км, 1,2 тис. км берегових укріплень та понад 600 насосних та компресорних станцій для перекачування надлишків води. Значна кількість зазначених об’єктів, за рядом об’єктивних причин, втрачає надійність та створює загрозу виникнення надзвичайних ситуацій.

Тобто, саме ці об’єкти, а це в масштабах України сотні гектарів, по всіх своїх параметрам можуть і повинні стати полігоном для розміщення комплексів ВЕС, які по суті повинні стати міні- або мікроелектростанціями в структурі систем електропостачання насосних та компресорних станцій та залізорудних підприємств України [2].

Мета роботи. Метою роботи є аналіз можливості впровадження вітроенергетичних станцій та комплексів на узбережжі водойм вцілому та в умовах залізорудного підприємства ВАТ «Полтавський ГЗК».

Матеріал і результати досліджень. Середні швидкості вітру 3–4 м/с спостерігаються в центральних частинах лісостепової і степової зони, Чернігівському Поліссі, північній частині Полтавсько-Роменської лісостепової області Придніпровської низовини і підобласті передгір'їв Кримських гір. України не бувають менше 3 м/с. Весною на більшій частині території України переважають середні швидкості вітру 4–5 м/с, влітку – 3–4 м/с. Восени майже на всій лісостеповій зоні спостерігаються швидкості вітру в межах 3–4 м/с. Степова зона характеризується швидкостями вітру 4–5 м/с.

Як відомо, загальні ознаки рельєфу України визначають чергування височин і низовин. Переважна більшість орографічних утворень в Україні (Волинська, Подільська, Придніпровська та Донецька височини, Придніпровська низовина й Українські Карпати) орієнтовані з північного заходу на південний схід відповідно до напряму основних геоструктурних елементів.

Окрім річок, на місцеві особливості клімату України впливають також і озера, що займають близько 0,3 % площі території країни. Вплив водосховищ, ставків і боліт на режим метеорологічних величин різний. Найбільше водосховища впливають на вітер: його швидкість над акваторією та узбережжям підвищується на кілька десятків відсотків [3].

Деяке зростання швидкостей вітру спостерігається повсюдно на прибережному схилі, що спричинене насамперед близькістю водосховища. Швидкість вітру над акваторією водосховища майже не змінюється (15-20%) в охолоджуючий період, а в теплий період – зростає на 50-100%. Восени на навітряному березі водосховища спостерігається збільшення в 2-3 рази повторюваність сильних вітрів (понад 15 м/с) в порівнянні з вихідними вітровими умовами. В сторону суші бризи можуть проникати на відстань 3 км і більше, захоплюючи по висоті зону в 100-300 м. За наявності вітру із суші швидкістю понад 4 м/с, морський бриз зазвичай не утворюється [4].

Тому створення гідровузлів головним чином викликає зміни у мікрокліматі прилеглих територій, причому ступінь їх впливу зменшується зі зростанням відстані від зрізу води. Причини таких змін, у першу чергу пов’язані з підвищенням сумарної радіації та зміною радіаційного балансу водойми, а також більшою величиною теплоємності водної маси у порівнянні із сушею. На узбережжі водосховищ виникають ознаки «приморського клімату»: підвищується вологість повітря, зменшується добова амплітуда температур, виникає бризова циркуляція. При створенні водосховищ змінюється добовий хід швидкості вітру. Над акваторією максимальна швидкість вітру реєструється в нічні години, а мінімальна – у денні. На узбережжі цей розподіл інший: максимум - у денні години, а мінімум – у ранкові [4].

Будівництво вітроелектростанцій треба розгортати у цих регіонах, враховуючи значний дефіцит власних генеруючих потужностей. Слід надавати перевагу будівництву вітроелектростанцій на прилеглих водних акваторіях, що мають особливо високий вітроенергетичний потенціал.

Рисунок 1 – Розташування залізорудного підприємства ВАТ «Полтавський ГЗК» відносно навколишніх природних та штучних водойм

Таким чином, вховуючи перераховану проблематику організації функціонування насосних та компресорних станцій гідрозахистних споруд, у тому числі систем їх електропостачання та факт розташування на узбережжі Дніпродзержинського водосховища одного з потужних залізорудних підприємств України ВАТ «Полтавський ГЗК» (рис. 1), що має у своєму складі, за технологією, гідротехнічні споруди (відстійники), було запропоновано розташування вітроенергетичних комплексів (ВЕК) та вітроенергетичних станцій (ВЕС) в межах берегової зони водойм. Встановлення ВЕК та ВЕС біля водойм в перше чергу сприятиме покращенню їх енергетичних показників та збільшенню надійності систем електропостачання насосних та компресорних станцій гідрозахисних споруд та насосних станцій ВАТ «Полтавський ГЗК».

Рисунок 2 – Структура системи електропостачання насосної станції від вітроенергетичного комплексу: ВЕК – вітроенергетичний комплекс; НС – насосна станція; ВК – вітрове колесо; АГ – асинхронний генератор; МК – мікроконтролер; БЗК – блок збуджуючих конденсаторів; Н1, Н2, Нn – насоси; ТП1, ТП2 – трансформаторна підстанція; К1, К2, К3, Кn – комутатор; Д1 – датчик частоти обертів ВК; Д2 – датчик напруги та частоти напруги згенерованої АГ; Д3 – датчик рівня води.

В основу запропонованого схемного рішення (рис.2) поставлена задача підвищення ефективності роботи системи електропостачання з використанням додаткового джерела енергії на базі вітроустановки, що дозволить підвищити надійність та безперебійність електропостачання підключених до нього споживачів (у тому числі насосних станцій). Таким чином, при впровадженні запропонованого схемного рішення система має можливість корегувати роботу вітроустановки, як додаткового джерела живлення, на одну спільну систему електропостачання насосної станції кар’єру, в результаті аварійної ситуації насосна станція живиться від магістральної електромережі, система при необхідності може підключати та відключати певну кількість насосів, з метою регулювання навантаження та ефективної роботи насосної станції, що зумовлює підвищення надійності електропостачання насосної станції і підвищує ефективність роботи вітроенергетичного комплексу [5].

Висновки. Таким чином, аналіз можливості впровадження вітроенергетичних станцій та комплексів на узбережжі водойм вцілому та в умовах залізорудного підприємства ВАТ «Полтавський ГЗК» показав позитивний вплив водойм, в залежності від їх об’єму та віддаленості, на енергетичні показники вітроенергетичних станцій. Запропоновано структуру системи електропостачання насосної станції від вітроенергетичного комплексу, що також може бути використана при впровадженні вітроенергетичних станцій в умовах підприємства ВАТ «Полтавський ГЗК».

Література:

1. World Energy Outlook –2016, OECD/IEA, Paris.

2. Клімат України / За ред. В.М. Лівійського, В.А.Дячука, В.М. Бабіченко. — К.: Вид-во Раєвського, 2003. — С. 133.

3. Водний фонд України: Штучні водойми — водосховища і ставки: Довідник / [В.В. Гребінь, В.К. Хільчевський, В.А. Сташук, О.В. Чунарьов, О.Є. Ярошевич] / За ред. В.К. Хільчевського, В.В. Гребеня. — К. : «Інтерпрес ЛТД», 2014. — 164 с.

4. Воропаев Г. В. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду / Г. В. Воропаев, А. Б. Авакян. — М.: Наука, 1986. — 368 p.

5. С.М. Бойко, О. В. Дозоренко Електротехнічний комплекс електропостачання гірничих підприємств на базі вітроенергетичної станції. Всеукраїнська науково-практична конференція «Актуальні питання гірничо-металургійного виробництва» Збірник тез доповідей. Кривий Ріг: ДВНЗ «КНУ», 2017 С. 55.