Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 17
1.1. Топливно-энергетический комплекс Республики Карелия и роль возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе 17
1.2. Анализ методического, алгоритмического и программного обеспечения для ресурсных оценок потенциала возобновляемых источников энергии 24
1.2.1. Анализ методов оценки потенциала гидроэнергетических ресурсов региона 24
1.2.2. Анализ методов оценки потенциала ветроэнергетических ресурсов региона 33
1.2.3. Современные оценки объемов использования древесной энергии и методы оценки ресурсов лесной биомассы 39
1.2.4. Методы оценки экономического потенциала возобновляемых энергетических ресурсов региона и их анализ 53
1.2.5. Анализ подходов к экономическим оценкам воздействия энергетических объектов на окружающую среду 57
1.3. Современные подходы к управлению региональным энергетическим комплексом 59
1.4. Цели и задачи исследований 61
2. Гидроэнергетические ресурсы Карелии и их территориальное распределение 63
2.1. Изученность валовых гидроэнергетических ресурсов Карелии 63
2.2. Разработка и создание баз данных для гидроэнергетических исследований региона 65
2.3. Анализ стока рек Карелии 71
2.4. Модели распределения гидроэнергетических ресурсов на местности и оценки энергии 80
2.5. Обоснование и разработка методики оценки гидроэнергетических ресурсов руслового стока региона во времени 89
2.6. Энергетическое подобие водотоков и разработка нового метода "обобщенных кривых" для оценки энергии малых рек Карелии 91
2.7. Уточненные оценки гидроэнергетических ресурсов Карелии 99
2.8. Методика расчета и оценки технического потенциала гидроэнергетических ресурсов Карелии 107
2.8.1. Методика, алгоритм и программа расчета технического потенциала малой гидроэнергетики для естественных водотоков 108
2.8.2. Оценка технического потенциала гидроэнергетических ресурсов Карелии на основе схем использования малых ГЭС 113
2.9. Методика и оценки экономического потенциала гидроэнергетических ресурсов региона 116
2.9.1. Оценки экономического потенциала гидроэнергетических ресурсов Карелии 116
2.9.2. Развитие методики оценки экономического потенциала гидроэнергетических ресурсов на основе технологий САПР МГЭС 116
2.9.3. Укрупненная экономико-математическая модель МГЭС 120
2.9.4. Математические модели оборудования и сооружений МГЭС и алгоритмы оптимизации основных параметров 124
2.10. Основные выводы по главе 137
3. Ветроэнергетические ресурсы карелии и их пространственное и временное распределения 139
3.1. Изученность ветроэнергетических ресурсов Карелии 139
3.2. Разработка и создание баз данных для исследования ветроэнергетических ресурсов региона 139
3.3. Методика расчетов ветроэнергетического потенциала 145
3.4. Основные характеристики ветрового режима 147
3.5. Оценки валовых ветроэнергетических ресурсов Карелии 156
3.6. Методика и оценки технических ветроэнергетических ресурсов Карелии 160
3.7. Методика расчета и оценка экономического потенциала ветроэнергетических ресурсов Карелии 167
3.7.1. Укрупненная экономико-математическая модель ВЭС, используемая в алгоритмах оценки экономического потенциала 168
3.7.2. Экономический потенциал ветровой энергии региона 180
3.8. Основные выводы по главе 183
4. Разработка методик и оценка энергии биомассы лесов Карелии 185
4.1. Классификация древесного топлива 185
4.2. Углеродный баланс как основа оценок ресурсов биомассы региона 187
4.2.1. Углеродный баланс Карелии 188
4.2.2. Некоторые технические решения, снижающие выбросы СОг в атмосферу 196
4.3. Методика и оценки валового и технического потенциала энергии древесной биомассы региона (на примере Карелии) 198
4.3.1. Методика определения биомассы фракций в спелых и перестойных лесах 203
4.3.2. Методика определения биомассы фракций в молодняках, средневозрастных и приспевающих лесах 207
4.4. Методика оценки технического потенциала энергии биомассы при рубках леса 211
4.5. Методика оценки технического потенциала и нормативов по определению топливной биомассы при промышленной переработке древесины 216
4.6. Методика оценки экономического потенциала энергии древесной биомассы (на примере Карелии) 222
4.7. Оценки потенциала энергии древесной биомассы лесов Карелии 232
4.8. Основные выводы по главе 235
5. Методы обоснования рациональных объемов вовлечения возобновляемых источников энергии в региональный топливно-энергетический баланс 236
5.1. Основные методические положения выбора перспективных направлений и объемов развития возобновляемой энергетики 236
5.2. Оптимизационная модель регионального энергоснабжения на основе ВИЭ с учетом углеродного баланса, а также других экологических и ресурсных ограничений 256
5.3. Методика выбора перспективных демонстрационных объектов для развития возобновляемой энергетики 267
5.4. Основные выводы по главе 268
Заключение 270
Литература 273
Приложение
- Анализ методического, алгоритмического и программного обеспечения для ресурсных оценок потенциала возобновляемых источников энергии
- Разработка и создание баз данных для гидроэнергетических исследований региона
- Разработка и создание баз данных для исследования ветроэнергетических ресурсов региона
- Методика и оценки валового и технического потенциала энергии древесной биомассы региона (на примере Карелии)
Введение к работе
Проведение реформ и изменение социально-экономической ситуации в России привело к необходимости разработки новой энергетической стратегии страны [1, 2]. Главной целью "Энергетической стратегии России" является определение путей и формирование условий безопасного, эффективного и устойчивого функционирования энергетического сектора страны, а также формирование рациональной системы взаимоотношений между субъектами топливно-энергетического комплекса (ТЭК), потребителями и государством.
Высшим приоритетом "Энергетической стратегии России" на период до 2020 года является максимально эффективное использование природных топливно - энергетических ресурсов и имеющегося научно-технического и экономического потенциала ТЭК для повышения качества жизни населения страны. Более широкое использование местных, возобновляемых источников энергии соответствует цели и высшему приоритету "Энергетической стратегии России" [2, 3]. В современных условиях важное значение имеет проблема обеспечения энергетической безопасности регионов, повышающая роль и значение развития региональной энергетики [4]. Во многом энергетическая безопасность формируется на региональном уровне. Степень обеспеченности регионов собственными топливно-энергетическими ресурсами является одним из основных показателей восприимчивости регионов к угрозам энергетической безопасности.
В разработанной и принятой Правительством РК [5] "Программе социально-экономического развития Республики Карелия" важное место уделено более широкому использованию возобновляемых источников энергии. Освоение и использование местных энергетических ресурсов (гидравлическая и ветровая энергия, древесное топливо, торф, отходы сельского хозяйства и т.д.) в Карелии позволит снизить дефицит топливно-энергетических ресурсов и улучшит экологическую обстановку.
С момента своего образования и до настоящего времени Карельская энергосистема остается энергодефицитной, что усиливает ее зависимость от многих внешних факторов [6, 7]. Велика зависимость республики от поставок электроэнергии, природного газа, угля и нефтепродуктов. Поэтому увеличение доли собственной выработки электрической энергии и более широкое использование местных возобновляемых источников энергии для производства тепловой и электрической энергии, а также моторного топлива, является одним из главных направлений перспективной энергетической политики Карелии.
Долговременная концепция развития энергетики Карелии может быть сформулирована как: рациональное использование природного газа с экономически, социально и экологически обоснованным вовлечением в топливно-энергетический баланс местных возобновляемых источников энергии [5-8]. Таким образом, в концепции развития энергетики Карелии важная роль отводится экономически, экологически и социально обоснованному использованию возможностей возобновляемой энергетики [8].
Построение систем регионального энергоснабжения с преимущественным использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) необходимо вести на основе научных исследований и разработок, учитывающих природно-климатические характеристики региона, ресурсные ограничения, а также экологические и социальные аспекты.
В современных условиях актуальна проблема поиска новых рациональных решений в развитии региональной энергетики на основе использования комплексного потенциала ВИЭ, что позволяет обеспечить социальные эффекты и снижение воздействия ТЭК на окружающую среду.
Научная проблема состоит в том, чтобы разработать методологию (методики, алгоритмы, программы и базы данных), позволяющую проводить оценку комплексного потенциала возобновляемых источников энергии региона и находить наиболее рациональные варианты его использования в региональном топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) с учетом углеродного баланса, а также других экологических и ресурсных ограничений.
Целью диссертационных исследований является разработка основ и методов определения комплексного потенциала возобновляемых энергетических ресурсов региона и его использования. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
• анализ современного состояния топливно-энергетического комплекса Республики Карелия; разработка баз данных для исследования возобновляемых энергетических ресурсов региона;
• получение методики расчета валовых гидроэнергетических ресурсов руслового стока для нахождения оценок во времени; разработка нового метода "обобщенного учета" для оценки энергии малых рек; усовершенствование методик оценки технического и экономического потенциалов гидроэнергетических ресурсов региона;
• выявление количественной оценки экономического потенциала ветроэнергетических ресурсов региона и разработка оптимизационной экономико-математической модели ВЭС;
• определение для энергетических нужд энергопотенциала лесной биомассы региона; анализ регионального углеродного баланса;
• разработка модели оптимизации и рационального использования ВИЗ в региональном топливно-энергетическом балансе с учетом углеродного баланса, других экологических и ресурсных ограничений; разработка методики выбора демонстрационных объектов ВИЗ;
• разработка прикладного программного обеспечения для определения комплексного энергопотенциала возобновляемых источников энергии региона и его использования.
Новые результаты заключаются в следующем.
• Разработана методология ресурсных исследований (методы, алгоритмы, программы и базы данных) для определения комплексного потенциала возобновляемых источников энергии в отдельном регионе.
• Проведено комплексное изучение и обоснование использования возобновляемых источников энергии в регионе с учетом углеродного баланса, а также других экологических и ресурсных ограничений. Получены новые современные оценки гидроэнергетических и ветроэнергетических ресурсов, а также потенциала древесного топлива. Впервые создан компьютерный водноэнергетический кадастр Карелии.
• Для оценки энергии малых рек разработан новый метод "обобщенных кривых", основанный на энергетическом подобии водотоков. Разработаны экономико-математические модели малых гидроэлектростанций (МГЭС) и ветроэлектростанций (ВЭС) для оценки экономического потенциала. Для моделирования течений в установках на основе ВИЭ разработан новый прямоугольный конечный элемент (КЭ) с 24 степенями свободы.
• Усовершенствована методика и получены формулы для оценки экономического потенциала ветроэнергетических ресурсов региона, в которых учитывается дисконтирование. Разработана методика расчета энергопотенциала лесной биомассы региона. Предложены новые технические решения, направленные на снижение выбросов углекислого газа в атмосферу.
• Разработана модель и программы (ENERGOM, ENMOD, ECOEN) оптимизации и рационального использования ВИЭ в региональном топливно-энергетическом балансе с учетом углеродного баланса, а также других экологических и ресурсных ограничений. Разработана методика выбора демонстрационных объектов возобновляемой энергетики.
Новизна работы подтверждена 2 патентами Российской Федерации.
Личный вклад автора в решение проблемы. Диссертация является результатом многолетних исследований автора, которые проводились им в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, в Карельском научном центре РАН и в университете г.Иоэнсуу (Финляндия). Приведенные в диссертационной работе результаты исследований были получены автором при разработке и решении задач по отдельным темам, заданиям и проблемам, в которых автор принимал участие в качестве научного руководителя, ответственного исполнителя и соисполнителя.
Личный вклад автора определился разработкой теоретических основ и методов определения комплексного потенциала возобновляемых энергоресурсов региона и его использования; в создании баз данных по возобновляемым источникам энергии Республики Карелия и в проведении анализа пространственного и временного распределения возобновляемых источников энергии на территории Республики Карелия и получении оценок его потенциала; в разработке алгоритмов и программ расчета потенциалов гидравлической и ветровой энергии, а также древесного топлива; в разработке прямоугольного конечного элемента с 24 степенями свободы; в разработке программ, алгоритмов и методик оптимизации и рационального использования ВИЭ в региональном топливно-энергетическом балансе с учетом углеродного баланса, а также других экологических и ресурсных ограничений; в разработке методики выбора демонстрационных объектов ВИЭ; в проведении анализа современного состояния возобновляемой энергетики и составлении прогноза ее развития в Республике Карелия.
Достоверность результатов исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций подтверждается использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных методов различных научных дисциплин, корректным применением адекватного математического аппарата, а также совпадением полученных результатов моделирования с известными аналитическими и численными решениями и оценками.
Практическая значимость диссертации состоит в получении современных оценок ресурсов ВИЭ для Республики Карелия; разработке и оценке сценариев развития энергетики Карелии; разработке прикладных программ для определения ресурсов ВИЭ; оптимизации техническо-экономических параметров установок на основе ВИЭ.
Использование рекомендаций автора на стадии предпроектных и проектных проработок позволяет повысить конкурентоспособность и экономическую эффективность систем энергоснабжения на основе ВИЭ, что крайне важно для улучшения экологической и социальной обстановки, особенно в энергодефицитных регионах.
На основе диссертационных исследований автора выполнен анализ прогнозных вариантов вовлечения в ТЭК Республики Карелии возобновляемых источников энергии и определены приоритетные направления развития возобновляемой энергетики для Республики Карелия на перспективу, а также определены необходимые условия и шаги для этого.
Основные результаты научных исследований были использованы при разработке программ развития энергетики в Республике Карелия, Владимирской и других областей, а также Управлением научно-технического прогресса Минэнерго России при разработке программ развития возобновляемой энергетики в России.
Некоторые результаты диссертационных исследований были использованы при выполнении следующих международных проектов: "Энергетический мастер-план Карелии" (1994) [9], Тасис ERUS 9504 "Развитие местных источников энергии в Республике Карелия" (1997) [10], Bioenergia-Alan Tietotaidon Siirto-Ohjelma Luoteis-Venajalle, University of Joensuu (1999) [11], Study on Energy Investments in North-West of Russia, Finnbarents (2000) [12], Bio2002Energy. Development of the Use of Bioenergy in the Baltic Sea Region. Baltic Sea Regional Energy Cooperation (BASREC) & Nordic Council of Ministers (NMR) (2002) [13], Energy Road (2003-2004), Recent Development in Energy Sector of Karelia in 1999-2003 (University of Joensuu, Metla Oy) (2004), Sustainable Biomass Management Chains to Meet Kyoto Requirements (Russian-Swedish Bio-Energy Information and Training Centre, Swedish National Energy Agency, Swedish University of Agricultural Sciences, 2005) [274].
Практические результаты, изложенные в диссертации, нашли свое отражение в следующих документах: "Концепция развития и использования возможностей малой и нетрадиционной энергетики в энергетическом балансе России" (1994) [3], "Программа развития топливно-энергетического комплекса Республики Карелия на период до 2015 года" (1995, разработана в соответствие с Постановлением Совета Министров Республики Карелия №184 от 15.05.94 г.) [14], "Программа социально-экономического развития Республики Карелия" (2000) [5], Федеральная программа "Энергоэффективная экономика. Раздел Нетрадиционная энергетика" (2003-2004), "Концепция использования ветровой энергии в России" (2005) [213].
В 1993-2004 годах автором диссертации были организованы между Карельским НЦ РАН и университетом г.Йоэнсуу шесть российско-финляндских семинаров [15-19], посвященных изучению различных научных и технических проблем в области экологически "чистой" энергетики (первый семинар прошел в Петрозаводске (1993), второй - в Контиолахти (Финляндия, 1994), третий в Петрозаводске-Валааме (1995), четвертый в Петрозаводске (1997), пятый и шестой в Иоэнсуу (Финляндия, 2003 и 2004)).
Большинство результатов теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе кафедры "Промышленной теплотехники и энергосбережения" Петрозаводского государственного университета при подготовке инженеров по специальности "Энергообеспечение предприятий" в виде учебных программных систем, методик исследований, методических рекомендаций для курсового и дипломного проектирования, а также при подготовке учебных планов и программ. Автором диссертации разработаны и читаются три курса лекций в Петрозаводском государственном университете и в Институте управления, экономики и права при Правительстве РК: "Возобновляемые источники энергии и установки на их основе", "Экономика энергетики" и "Тарифы и тарифная политика".
Апробация работы выполнена в виде докладов на всесоюзных, республиканских и международных конференциях и семинарах:
"Математическое моделирование в энергетике" (Киев, 1991), "Энергетический мастер-план Карелии" (Петрозаводск, 1993), "Разработка программы развития топливно-энергетического комплекса Республики Карелия до 2015 года", (Петрозаводск, 1995), "Развитие местных источников энергии в Республике Карелия. Осуществление энергетического мастер-плана" (Петрозаводск, 1997), "Научные проблемы энергетики возобновляемых источников", (Самара, 2000), Пятый международный семинар "Российские технологии для индустрии. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии", IWRFRT2001,28-30 мая 2001. ФТИ им. Иоффе (Санкт-Петербург, 2001), Международной конференции "Возобновляемая энергетика 2003. Состояние. Проблемы. Перспективы", 4-6 ноября 2003. СПбГПУ (Санкт-Петербург, 2003), Международной конференции "Рациональное природопользование: ресурсо- и энергосберегающие технологии и их метрологическое обеспечение", 22-24 июня. КНЦ РАН (Петрозаводск, 2004), Российско-шведском семинаре "Задачи и опыт работы Российско-шведского учебно-информационного Центра биоэнергетики (БИОЦЕНТРА) и его филиалов в северо-западном регионе России. Перспективы создания филиала БИОЦЕНТРА в Республике Карелия", (4 февраля 2005, Петрозаводск) и на международных семинарах "Perspective of Renewable energy sources utilization in Karelian Fuel-Energy Balance. (Petrozavodsk, Russia, 1993), "Biofuels for sustainable development", (Kontiolahti, Finland, 1995), "Perspectives of Renewable Energy Resources Utilization (Regional Aspects)". (Petrozavodsk, Russia, 1997), "GREEN ENERGETICS: From the modern technologies to the new philosophy" (Petrozavodsk, 1998), "Woody Biomass as an Energy Sources - Challenges in Europe". (Joensuu, Finland, 2000), Workshop "Future of Bioenergy in the Baltic Sea Region", March 6-7, 2002, (Juvaskyla, Finland, 2002), "Перспективы развития биоэнергетики и особенно производств древесных гранул на Северо-западе России" (Йоэнсуу, Финляндия, февраль 2003), Bioenergy Seminar. BROFTA Оу (Petrozavodsk, Russia, 2-4 April, 2003), Bioenergetics NW of Russia (Joensuu, Finland, October, 2004), "Биоэнергетика 2005: Устойчивое развитие биоэнергетики в соответствии с требованиями Киотского протокола" (г.Великий Новгород, Россия, 16-17 июня, 2005).
По теме диссертации автором опубликовано 2 монографии (в соавторстве), 49 статей, получено 2 авторских свидетельства на изобретение. Диссертационные исследования поддержаны грантом РФФИ N98-02-03350 [20]. Под руководством автора были выполнены пять государственных контрактов [21-27], в рамках НИОКР Минэнерго России.
Автор выражает глубокую благодарность академику РАН, д.т.н., профессору Ю.С.Васильеву за ценные советы и консультации по проблемам возобновляемой энергетики; чл.-корр. РАН, д.т.н., профессору М.П.Федорову за поддержку проводимых исследований и консультации по экологическим проблемам энергетики; д.т.н., профессору В.И.Виссарионову за формирование общего мировозрения на проблемы использования возобновляемых источников энергии; д.т.н. Безруких П.П за внимание, постоянную поддержку и помощь в изучении возобновляемых источников энергии Карелии; д.т.н., профессору Елистратову В.В. за постоянное внимание, поддержку и критическое обсуждение проблем комплексного использования возобновляемых источников энергии; коллективу лаборатории моделирования природно-технических систем ИПМИ Карельского НЦ РАН за содействие при проведении научных исследований.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
В первой главе дан анализ современного состояния топливно-энергетического комплекса Республики Карелия и определена роль и место возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе. Выполнен критический анализ методического, алгоритмического и программного обеспечения для ресурсных оценок потенциала возобновляемых источников энергии. Описаны современные подходы к управлению возобновляемыми энергетическими ресурсами региона. В заключении сформулированы цели и задачи диссертационных исследований.
Во второй главе рассмотрены гидроэнергетические ресурсы Карелии. Описаны разработанные базы данных и выполнен анализ стока рек Карелии. Дано описание модели руслового стока в терминах теории графов, позволяющей автоматизировать получение оценок распределения гидроресурсов по территории. Разработана методика оценки гидроэнергетических ресурсов руслового стока региона во времени. Дана классификация водотоков. Для оценки энергии малых рек разработан новый метод "обобщенного учета", основанный на энергетическом подобии водотоков. Развиты методы, алгоритмы и программы расчета технического потенциала гидроэнергетических ресурсов региона. Для оценки экономического гидроэнергетического потенциала для условий Карелии разработаны экономико-математические модели малых ГЭС и описаны численные алгоритмы и программы оптимизации их основных параметров. Представлены результаты исследования пространственного и временного распределения гидроэнергетических ресурсов Карелии и приведены, полученные автором диссертации, современные оценки валового, технического и экономического потенциала гидравлической энергии.
В третьей главе рассмотрены ветроэнергетические ресурсы Карелии. Описаны разработанные базы данных и дан анализ пространственного и временного распределения ветрового режима на территории Карелии. Приведены современные оценки потенциала ветроэнергетических ресурсов Карелии. Для оценки экономического ветроэнергетического потенциала для условий Карелии построена экономико-математическая модель ВЭС. Разработана методика и получены формулы для оценки экономического потенциала ветроэнергетических ресурсов региона, в которых учитывается дисконтирование.
В четвертой главе рассмотрены биоэнергетические ресурсы Карелии. Дана классификация древесного топлива. Приведено описание методики оценки валового, технического и экономического потенциала лесной биомассы. Выполнен анализ углеродного баланса Карелии и показана его связь и источниками образования биомассы. Приведено описание новых технических решений, направленных на снижение выбросов углекислого газа в атмосферу. Показано влияние заготовки древесного топлива на структуру транспортной сети. Приведены оценки энергетического потенциала лесной биомассы Карелии.
В пятой главе рассматриваются основные методические положения выбора перспективных направлений и объемов развития возобновляемой энергетики на примере Карелии. Представлена оптимизационная модель развития регионального энергоснабжения на основе ВИЭ. Разработана методика выбора демонстрационных объектов ВИЭ. На основе разработанных моделей и с учетом прогнозов потребления топлива и энергии определены возможные перспективные объемы вовлечения в топливно-энергетический баланс биотоплива, гидравлической и ветровой энергии.
В приложении приведены результаты разработки конечного элемента (КЭ) с 24 степенями свободы, вырождающегося на границе области в треугольный КЭ. Приведены явные аналитические выражения для коэффициентов "матрицы жесткости" и векторов "правой части". Дано сравнение разработанного КЭ с некоторыми другими высокоточными КЭ. Приведено решение некоторых задач.
Анализ методического, алгоритмического и программного обеспечения для ресурсных оценок потенциала возобновляемых источников энергии
Гидроэнергетические ресурсы делятся на три категории потенциала: валовый, технический и экономический [2, 6, 41]. Иногда выделяется также технико-экологический и экономико-экологический потенциал [2,43, 44]. Из-за изменчивости и неповторяемости поверхностного и речного стока его энергия оценивается некоторыми средними показателями. Различают гидроэнергетический потенциал поверхностного и речного стока [6,41].
В оценках гидроэнергетических ресурсов региона, как правило, представляет интерес выделение потенциала малой гидроэнергетики (МГЭ), реализуемого на малых-, мини- и микро- ГЭС (МГЭС). Методическая сложность состоит в определении доли МГЭ в общем гидроэнергетическом потенциале рассматриваемого региона [2, 46, 47].
В наиболее полной и фундаментальной научной работе по оценке гидроэнергетических ресурсов СССР, выполненной в 1967 году, к категории МГЭС относились все равнинные реки с валовой мощностью до 2 МВт и горные - до 1,7 МВт [41]. Эти классификационные признаки были весьма удобными, так как они не являются техническими параметрами будущих ГЭС.
В 1985 г. институтом "Гидропроект" был разработан "Технико-экономический доклад об основных направлениях развития малой гидроэнергетики СССР", в котором уже использовалась принятая классификация рек по валовой мощности [41, 46]. Реки были разделены по валовой мощности на 4 группы: 1 - до 2 МВт (малые реки); 2 - от 2 до 100 МВт (средние реки), 3 - от 100 до 200 МВт (крупные реки); 4 - более 200 МВт. Все расчеты выполнялись укрупненно для трех больших частей территории СССР: Европейская часть; Сибирь и Дальний Восток; Средняя Азия и Казахстан. Далее в них выделялись экономические районы [46]. Расчеты для отдельных регионов современной России в этой работе не проводились. Позднее для некоторых регионов России было сделано уточнение потенциала гидроэнергетических ресурсов [166].
Учет экологических и социальных ограничений в условиях рыночных отношений еще более усложняет расчеты экономического потенциала МГЭ региона [2,45,46].
Для оценки валовых гидроэнергетических ресурсов используется метод "линейного учета" и методы "обобщенного учета". Метод "линейного учета" подробно описан в литературе [2, 41,49] и здесь не приводится. Анализ методов "обобщенного учета". Гидроэнергетические ресурсы малых рек можно оценить лишь приближенно. В основном, измерение расходов и уровней воды осуществляется на 1% рек Карелии. Примерно на 100 рек приходится один пост наблюдений. Поэтому для подсчета потенциальных гидроэнергетических ресурсов малых рек используются методы "обобщенного учета" [48].
Инструкцией по составлению "Водноэнергетического кадастра" при обобщенном учете потенциальной мощности водной энергии рекомендуется пользоваться методом Секции по научной разработке проблем водного хозяйства АН СССР [54], методом обобщенных коэффициентов С.В.Григорьева [48, 49] и методом базисных бассейнов С.В.Клопова [56]. Также известны методы Н.А.Григоровича [50], П.С.Калачева [51], С.Т.Даидбекова и С.Г.Рустамова [52], М.А.Мосткова [53], Д.С.Щавелева, Р.Ж.Жулаева и др. [43, 46]. Проанализируем основные достоинства и недостатки указанных методов "обобщенного учета".
Метод Секции по научной разработке проблем водного хозяйства АН СССР [54]. Изучаемая территория расчленяется на карте на отдельные учетные районы, одинаковые в физико-географическом отношении, которые в свою очередь делятся на участки. Подсчет потенциальной энергии производится порознь по каждому учетному участку. Учет энергии малых водных потоков производиться суммарно по группам одинаковых по удельной мощности участков (обобщенный учет).
Критериями для применения обобщенного учета являются величины среднего многолетнего стока, площади водосбора и масштаб используемой карты. Применительно к физико-географическим условиям Карелии и используемой карте обобщенный учет следует производить: а) при модуле стока менее 10 л/сек/км для водных потоков с начальным расходом от 0.5 м/с (для холмистого рельефа) до 1 м3/с (для равнинного рельефа), чему соответствуют площади водосбора приблизительно от 50 до 100 км ; б) при модуле стока более 10 л/сек/км - соответственно от 35 до 50 км . Обобщенный учет производится по градациям участков (табл. 1.2). Суммарная потенциальная энергия всех находящихся в данном районе водотоков, на протяжении которых среднегодовой расход изменяется между Qa и Qb (в м3/с), определяется по формуле: где Qp - среднегодовой сток со всей площади данного учетного района, м /с. В общем случае справедлива зависимость QP=YJ(Q2 QI)- Здесь АНаЬ - среднее падение на участках данной градации, определяемое по осредненной кривой связи между площадью водосбора и падением F = f(H); Q2 - сумма среднегодовых расходов водотоков, вытекающих из данного района; Q] - сумма среднегодовых расходов водотоков, текущих внутрь района. Для района, охватывающего целый бассейн, Qp равен расходу главной реки по створу, замыкающему район.
Осредненные кривые связи выполняются порознь для каждого типа рельефа. Для этого выбирается приблизительно 5-10 водотоков различной величины и для каждого из них строится кривая нарастания площади водосбора в зависимости от падения. Кривые, полученные для отдельных водотоков, затем обобщаются в виде осредненной кривой F = f(H). Суммарная длина участков одной градации определяется по формуле:
Значения коэффициентов /л для различных градаций приведены в табл. 1.2. Для градаций Д и Е (табл. 1.2) формулы (1.1) и (1.2) справедливы, если расход, характеризующий данную градацию участков, достаточно мал (менее 20%) по сравнению с суммарным стоком со всей площади района Qp, т.е. при Qb у 0.2Qp. Этот метод распространяется не только на малые водотоки. Он применим и для верховых участков более крупных водотоков, учитываемых индивидуально. Подсчет производится суммарно по группам, одинаковым по удельной мощности участков, и по 6 градациям участков, в зависимости от величины среднегодовых расходов в верхнем и нижнем замыкающих створах. Суммарная потенциальная энергия всех находящихся в данном районе участков определяется по формуле
Разработка и создание баз данных для гидроэнергетических исследований региона
Для изучения пространственно-временного распределения гидроэнергетических ресурсов необходимы данные регулярных и длительных наблюдений за расходами воды в реках. Наблюдения, как правило, выполняются в "фиксированных точках" - постах наблюдений. Для удобной работы с данными, автоматизации и ускорения кадастровых расчетов, а также для пополнения, систематизации и обработки наблюдений автором диссертации была разработана специальная программная система (ПС) ENERGOM. На рис.2.1.а-2.1.з представлены 6 экранов ПС ENERGOM, используемых при расчетах водноэнергетических кадастров водотоков Карелии. При этом используются две базы данных - НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СТОКОМ рек Карелии и ГИДРОЭНЕРГОРЕСУРСЫ. База данных НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СТОКОМ содержит временные ряды среднемесячных расходов воды в постах наблюдений, расположенных на территории Карелии. Территориальное распределение постов наблюдений за стоком рек Карелии показано на рис.2.2. На машинных носителях хранятся данные наблюдений, проведенных в различное время на 226 постах. Некоторые из этих постов к настоящему времени уже закрыты. В настоящее время на водных объектах республики действуют 129 постов. Длина временных рядов среднемесячных расходов различна и колеблется от нескольких лет до 50 и более лет. В среднем для бассейна Белого моря - 20 лет и для бассейна Балтийского моря - 24 года. Все пункты, за исключением рек Ковды, Керети, Поньгомы и Кеми, имеют перерывы в наблюдениях за годы Великой Отечественной войны. База данных ГИДРОЭНЕРГОРЕСУРСЫ построена с учетом связи: гидрографическая сеть - водоток - пост наблюдений за стоком. В базе данных содержится информация по 380 основным водотокам, а также по малым рекам Карелии. По каждому водотоку хранятся следующие данные: гидрографические (продольный профиль водотока; площади водосбора и коэффициенты озерности на участках водотока), гидрологические (модули стока и средние многолетние расходы воды на участках водотока) и энергетические (потенциальная мощность на участке; суммарная потенциальная мощность от истока; удельная потенциальная мощность на участке; энергия водотока на участке; суммарная энергия водотока).
В гидроэнергетике вопросам изучения характеристик речного стока посвящены работы Г.С.Арсеньева, Г.А. Гриневича, С.Н. Крицкого, Н.А. Картвелишвили, М.Ф. Менкеля, А.Ш. Резниковского, Г.Г. Сванидзе и др. [45, 167-172]. Модели описания гидрологических характеристик, представляемых как стационарный случайный процесс подробно обобщены в [167]. Описание речного стока состоит из установления одномерных или многомерных законов распределения вероятностей его гидрологических характеристик и статистической оценки параметров этих распределений. Наиболее часто принимается гипотеза об одномерности функции распределения вероятностей стационарного случайного процесса, состояния которого независимы от времени. При этих допущениях в практике гидрологических расчетов наибольшее распространение получили функции распределения в виде так называемого трехпараметрического гамма-распределения, которое также называется распределением Крицкого-Менкеля [169]. Это распределение достаточно гибко и удовлетворительно описывает многие практически необходимые характеристики стока. Функция этого распределения применительно к расходу имеет вид
Разработка и создание баз данных для исследования ветроэнергетических ресурсов региона
Территория Карелии имеет разнообразные формы рельефа: озерно-речные долины, побережья мелких и крупных озер, склоны и вершины холмов и возвышенностей, большие открытые пространства болот. Такое разнообразие форм рельефа предопределяет и разнообразие скоростных режимов ветра. На рис. 3.1.в показана схема постов наблюдений за ветровым режимом на территории Карелии. Большинство площадок наблюдений за ветровым режимом в Карелии расположено в низинах и долинах с разной степенью защищенности. Практически полностью отсутствуют посты наблюдений на возвышенных местах (Олонецкая возвышенность, Западно-Карельская возвышенность, возвышенность Маансельга и т.д.). Поэтому результаты наших исследований ветроэнергетического потенциала отражают размещение пунктов сложившейся опорной сети наблюдений. Климатические характеристики, необходимые для оценки энергии ветра на территории Карелии, были собраны в базе данных: "ветроэнергоресурсы" и в системе баз данных "наблюдения за ветром".
Система баз данных "наблюдения за ветром" содержат различные характеристики ветрового потока в постах наблюдений (рис.3.1.в) и включает 9 баз данных [6], в которых собраны данные по средним и максимальным скоростям ветра, данные по повторяемостям скоростей ветра по различным градациям скорости (интегральные данные за каждый месяц) с 1966 по 1990 годы для всех метеостанций Карелии и т.д.
Большая длительность рядов наблюдений, верификация собранной в базах данных информации, а также общепринятая методология оценок ветроэнергетических ресурсов, отраженная в работах В.Н. Красовского [65], А.В. Винтера и В.И. Сидорова [66], Я.И. Шефтера [67, 68], Л. Яраса, Л. Хоффмана, А.Яраса, Г. Обермайера [89], Безруких П.П. [2, 63, 213] и других, обеспечивают достоверность и качество полученных результатов только в постах наблюдений.
Для эффективной работы с указанными базами данных автором диссертации была разработана ПС ENERGOM. На рис.З.І.а-З.І.и представлены 10 основных экранов ПС ENERGOM, используемых для расчетов ветроэнергетических ресурсов Карелии.
С помощью W оценивается удельный потенциал ветровой энергии. Но потенциальные ветроэнергетические ресурсы региона представляют собой суммарную энергию движущихся воздушных масс, перемещающихся над данной территорией. Для их оценки можно исходить из гипотетического использования энергии ветра на ветровых "плотинах". На основании исследований обтекания препятствий высотой Я воздушным потоком принимается условие, что возмущенный воздушный поток восстанавливается на расстоянии около 20-Я. При площади территории S потенциальные ветроэнергетические ресурсы Ws составят [2, 213]:
Из выражений (3.1-3.7) видно, что задача по оценке потенциальных ресурсов полностью определяется повторяемостью скоростей ветра.
Автором диссертации расчет удельной мощности ветрового потока осуществлен непосредственно по данным эмпирических повторяемостей скорости ветра по градациям (БД ENERGOM) с учетом рекомендаций [64].
Расчет удельной мощности для каждой градации производится по формуле: где Nrp - удельная мощность ветрового потока; f(u) - повторяемость градации скорости, и - расчетное значение скорости для выбранной градации.
Климатическая информация [62, 64], используемая для обоснования параметров ВЭС, подразделяется на три части. Во-первых, это данные о ветровом режиме, позволяющие оценить теоретически возможный потенциал ветровой энергии. Во-вторых, информация, используемая для расчета конструкций ВЭУ и их отдельных элементов на прочность и устойчивость. Основными характеристиками для этого являются максимальные скорости ветра заданной обеспеченности, максимальный порыв ветра, повторяемость диапазона опасных для высоких сплошностенчатых сооружений скоростей ветра, коэффициент порывистости ветра и интенсивность турбулентности воздушного потока, ускорение ветра в порыве, а также метеорологический комплекс (сочетание скорости ветра и отрицательной температуры воздуха), способствующих созданию условий обледенения и возникновению дополнительных нагрузок на ВЭУ. В-третьих, данные о непрерывной продолжительности скорости ветра выше заданного предела и о так называемых "энергетических затишьях", когда энергия ВЭУ не вырабатывается.
Средняя скорость ветра. Для приближенного определения ветрового потенциала рекомендуется [63, 64, 67, 76, 89] ориентироваться на средние годовые и средние месячные значения скорости ветра [62]. Для Карелии в [6] приведены средние годовые скорости ветра в постах наблюдений. В Карелии до 1963 г. измерение скоростей ветра велось по флюгеру Вильда, а позднее - по анеморумбометру. Из-за смены измерительного прибора исходный материал по скоростям ветрового потока оказался неоднородным. Отношение скоростей в указанные периоды наблюдений для различных станций изменяется в пределах от 0.69 до 1.07. В среднем по Карелии оно составляет 0.875. Это соотношение довольно устойчивое, поскольку стандарт отклонения равен 0.091. Из приведенных цифр следует, что погрешность определения соотношения скоростей в разные периоды изменяется от -0.0147 до +0.0147, т.е. можно с уверенностью говорить о временном тренде средней годовой скорости на высоте 10 м в сторону ее понижения. Следует отметить, что на островах и побережье открытых больших водоемов (станции о.Василисин, Кемь-порт), где скорости в среднем были высокие, их снижение в последние годы менее существенно, чем на внутриматериковых станциях (всего на 3-8% величины самой скорости, в то время как в среднем по региону она снизилась на 12.5%). Анализ данных по четырем станциям, где в оба периода наблюдения велись только по флюгеру Вильда, показал, что и в этих случаях также отмечается снижение скорости воздушного потока.
Методика и оценки валового и технического потенциала энергии древесной биомассы региона (на примере Карелии)
Биомасса лесных экосистем включает фитомассу древесной и кустарниковой растительности, напочвенного покрова и биомассу сухостоя, валежника и лесной подстилки. Система государственного учета лесов России [123] ориентирована преимущественно на определение качественных и количественных характеристик стволовой древесины растущих деревьев, измеряемой в плотных кубических метрах без учета коры. Древесина идет главным образом на механическую и химическую переработку, т.е. не на энергетические нужды. Объем древесины, а именно плотный кубический метр, используется в качестве количественной единицы измерения запаса стволовой древесины. Это доступная и точная характеристика. Наиболее удобной единицей измерения лесных ресурсов является количество сухой биомассы. Оценки в таких единицах могут быть легко пересчитаны в другие единицы, например, в энергетический эквивалент.
Вместе с тем в объемной системе учета отсутствует количественная (объемная или весовая) оценка фракций лесной биомассы - коры, сучьев, зелени, корней, сухостоя и валежника. Часть этих фракций используется традиционно как топливо, а другая часть в перспективе может быть вовлечена в использование. Высокая изменчивость параметров фракций лесных биоценозов обусловливает целесообразность разделения весьма разнообразной по характеристикам их биомассы на однородные по энергетическим свойствам фракции. Если учесть, что различные свойства фракций проявляются в процессах естественного роста, их заготовки, транспортировки, хранения и сжигания, то и классификация фракций должна учитывать их неоднородность при определении валового, технического и экономического потенциала.
Существующей системы учета лесного фонда России, оценивающей только биомассу лесов по объему (без коры) стволовой древесины, явно недостаточно. В связи с этим основными задачами, которые необходимо решить для оценки энергетического потенциала биомассы лесных биоценозов на территории, являются: классификация фракций биомассы лесных биоценозов по условию максимальной однородности параметров, влияющих на оценки валового, технического и экономического потенциала; установление количественных соотношений между объемами (массами) стволовой древесины (учитываются на территории системой учета Гослесфонда) и объемами (массами) других фракций лесных биоценозов; оценка удельных энергетических потенциалов фракций биомассы лесных биоценозов; обоснование методики расчета валового, технического и экономического потенциала лесных биоценозов территории.
Основной энергетической характеристикой топлива, в том числе биомассы как местного топлива, является теплотворная способность (МДж/кг, ккал/кг). Теоретическим пределом удельной энергии биомассы является ее теплотворная способность в абсолютно сухом состоянии, т.е. высшая теплотворная способность ее на сухую биомассу QBC. Она характеризует всю энергию, накопленную в процессе фотосинтеза биомассы растений, т.е. удельный валовый (теоретический) потенциал энергии биомассы. Эта энергетическая характеристика лесной биомассы является наиболее стабильной, так как стабилен элементарный химический состав биомассы деревьев [101, 233, 255-256]. Расчет удельной высшей теплотворной способности топлива на горючую массу осуществляется в соответствии с формулой Д.И.Менделеева [233, 246] (ккал/кг): где С, Н, О, S - процентное содержание углерода, водорода, кислорода и серы в абсолютно сухой биомассе. Процентное содержание входящих в формулу (4.3) химических элементов довольно близко для различных фракций деревьев отечественных пород. Ввиду этого теплотворные способности на горючую
массу древесного топлива, полученного из различных фракций деревьев различных пород, также близки между собой. Результаты, вычисленные по формуле (4.3), отличаются от экспериментальных данных, полученных калориметрическим методом, на 1-2% [246]. Ввиду незначительной зольности различных фракций и пород лесной биомассы (табл.4.1) можно считать, что высшая теплотворная способность на сухую и горючую биомассу одинакова:
Например, зольность древесины ствола и сучьев основных древесных пород лежит в пределах 0.2-1.17% [101, 233, 257]. На основании этого в соответствии с рекомендациями по нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов [258] в расчетах топочных устройств зольность стволовой древесины всех пород должна приниматься равной 1% сухой массы древесины.
Другим фактором, влияющим на массу древесины, является ее влажность. Разница между максимумом и минимумом абсолютной влажности, наблюдающиеся в течение года, достигают у сосны - 17%, у ели - 27%, у березы - 32%, у осины - 54% [247].
Оценка теплотворной способности на абсолютно сухую биомассу предпочтительнее, чем на рабочую, так как относительная естественная влажность фракций древесной фитомассы колеблется от 45 до 65% [246], а в процессе технологической переработки - от 20 до 80% [101, 255]. При хранении древесины ввиду ее гигроскопичности средняя влажность ее также меняется. В процессе переработки по различным технологиям влажность биомассы может снижаться до 5-10%.
Наконец, в литературе из-за колебаний естественной влажности все весовые соотношения фракций даются в процентах на абсолютно сухую массу, полученную выпариванием образцов при температуре 105 С [246,247,259-261].
Таким образом, при определении энергетических характеристик древесной биомассы следует учитывать следующие особенности: учет лесного фонда ведется в объемных показателях стволовой древесины без коры раздельно для различных территориальных таксономических единиц (выдел, квартал, лесничество, район, область), пород, классов возраста, групп, категорий использования [123]; теплотворные способности различных фракций и пород лесной абсолютно сухой биомассы ввиду близости элементного химического состава изменяются незначительно;
