Оценка ветроэнергетического потенциала территории Харьковской области, Украина Текст научной статьи по специальности «Геофизика»

Научная статья на тему 'Оценка ветроэнергетического потенциала территории Харьковской области, Украина' по специальности 'Геофизика' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии
Авторы
Коды
  • ГРНТИ: 37 — Геофизика
  • ВАК РФ: 25.00.10
  • УДK: 550.3

Статистика по статье
  • 710
    читатели
  • 115
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Научная статья по специальности "Геофизика" из научного журнала "Всероссийский журнал научных публикаций", Молодан Я. Е.

 
close Похожие темы научных работ
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Текст
научной работы
на тему "Оценка ветроэнергетического потенциала территории Харьковской области, Украина". Научная статья по специальности "Геофизика"

Оценка ветроэнергетического потенциала территории Харьковской области, Украина
Молодан Я. Е.
Патент на рабочую модель РФ № 109633 от 27.10.2011 г. Комбинированное орудие для глубокой обработки и внесения мелиоранта. Приоритет 12.04.2011 г. Бюл.30. Авторы : Березин Л.В. , Кем А.А., Красильников Е.В., Гиндемит А.М.
Введение. Ветер является одним из возобновляемых источников энергии, который издавна используется человеком. Перспективность использования энергии ветра зависит от наличия достаточной скорости ветра на высоте установки ступицы ротора ветровой турбины. Для выявления территорий, наиболее перспективных для развития ветроэнергетики, необходимо провести оценку ветроэнергетических ресурсов, определить средние скорости ветра, мощность ветрового потока и их географическое распределение.
Исследованию ветроэнергетического потенциала посвящено множество работ зарубежных специалистов, в особенности из стран, где активно развивается ветроэнергетика. В странах СНГ этот вопрос освещен, к сожалению, недостаточно. Наибольшее количество публикаций, посвященных оценке ветроэнергетического потенциала, принадлежит ученым Российской Федерации. Необходимо отметить работы В.Г Николаева, который занимается изучением проблем ветроэнергетики как России в целом, так и отдельных ее регионов. Исследованиями регионального ветропотенциала Российской Федерации занимались С.Н. Тупикин и Н.С. Орлова (Калининградская область), Г.Г. Журавлева (Томская область), Р. П. Бернгардт и В. Ю. Ага-ширинова (морские акваторий Сахалинской области). Вопросы оценки ветроэнергетических ресурсов Республики Беларусь освещены в работе Г. Г. Камлюка. Для территории Украины в 2001 г. был создан Атлас энергетического потенциала возобновляемых и нетрадиционных источников энергии, который содержит, в том числе, и карту ветроэнергетического потенциала. Исследованиями и районированием территории Украины по потенциалу ветровой энергии также занимались Л. В. Дмитренко и С. Л. Барандич, М. Сиротюк и О. Грында. Анализ предыдущего опыта оценки потенциала энергии ветра показал, что в Украине исследования проводились не регулярно, лишь на национальном уровне, что не позволяет прогнозировать эффективность и рентабельность строительства и эксплуатации ветровых установок на той или иной территории [1]. Для подробной оценки ветроэнергетического потенциала целесообразным было бы создание ветровых атласов административных областей, предусматривающее регулярный мониторинг, проведение инструментальных наблюдений и использование специализированного компьютерного обеспечения. Автор данного исследования впервые провел работы по изучению пространственного распределения мощности ветрового потока на территории Харьковской области.
Целью данной работы является анализ и оценка ветроэнергетического потенциала территории Харьковской области Украины.
Характеристика территории исследования. Харьковская область расположена на северо-востоке Украины, граничит с Луганской, Донецкой, Днепропетровской, Полтавской и Сумской областями Украины, а также с Белгородской областью России. Общая площадь Харьковской области составляет 31,415 тыс. км2.
Рельеф области представляет собой волнистую равнину с лёгким наклоном в юго-западном (к бассейну Днепра) и в юго-восточном (к бассейну Дона) направлениях. Наиболее возвышенные участки размещены в северной части области, наиболее низкие участки находятся в долинах рек на луговых террасах. Перепад высот в области составляет 177 м — от 59 м (в долине Северского Донца на границе Харьковской и
Донецкой областей) до 236 м (в отрогах Средне-Русской возвышенности на северо-западе от Золочева) [2].
Климат Харьковской области умеренно континентальный, и континентальность увеличивается в направлении с северо-запада на юго-восток. Средняя температура января в области составляет -5 —7 °C, июля +21 — +22 °C.
По территории Харьковской области вдоль линии Харь-ков-Кременчуг проходит климатическая ось Воейкова — полоса высокого давления, которая характерна для зимних месяцев и влияет на характер ветрового режима. К северу от нее преобладают западные и юго-западные теплые и влажные ветры, на юге — восточные и юго-восточные холодные и сухие ветры. В теплый период года эта ось ослабевает, поскольку вследствие прогревания суши Харьковская область попадает в зону пониженного давления, а потому дуют западные ветры [2].
Изложение основного материала. Используемые в настоящих исследованиях климатические данные представляют собой ряд регулярных наблюдений по единой программе с помощью однотипных приборов за последние 10 лет (2003-2012 гг.) Все измерения являлись инструментальными и проводились ежедневно по единой методике каждые три часа в строго определенные сроки на высоте 10 м на десяти метеорологических станциях Харьковской области
— Богодухов, Великий Бурлук, Золочев, Изюм, Коломак, Комсомольское, Красноград, Купянск, Лозовая и Харьков, равномерно расположенных по территории области.
В соответствии с рекомендациями ГГО им. А. И. Воейкова [3], для получения устойчивых значений средней скорости ветра достаточным является 10-летний ряд наблюдений, поэтому в данных исследованиях были использованы ряды метеорологических наблюдений за период 2003 — 2012 годов. Анализ результатов измерений температуры воздуха, атмосферного давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра был проведен с помощью программного обеспечения WRLOT View Freeware 7.0.0 [4] и Microsoft Excel 2010.
Основными показателями, которые характеризуют ветровой режим территории служат: средняя годовая скорость, повторяемость ветров различных направлений, максимальная скорость, распределение скоростей ветра в течение суток и года. Данные о среднегодовых скоростях ветра служат исходной характеристикой общего уровня ин-
тенсивности ветра и позволяют провести предварительную оценку перспективности той или иной территории для развития ветроэнергетики.
Результаты статистической обработки данных измерений скоростей ветра показали, что преобладающими для всех метеорологических станций Харьковской области являются ветра восточного направления, кроме метеостанции Купянск, на которой преобладают северные и юго-западные ветры, а также фиксируется наибольшее количество штилей (31,12 %). Наименьшее количество безветренных дней отмечается на метеостанциях Богодухов (3,29 %) и Коломак (6,74 %).
Было установлено, что на территории Харьковской области среднегодовые скорости ветра уменьшаются с северо-запада на юго-восток. Средние скорости ветра на высоте 10 м изменяются от 1,60 м/с на метеостанции Купянск до 3,61 м/с на метеостанции Харьков. Среднее значение скорости ветра по области — 2,36 м/с.
Статистическая обработка и анализ метеорологической информации показали, что наибольшие значения скорости ветра за исследуемый период зафиксированы на метеостанциях Купянск (37 м/с, 21.12.2005), Коломак (35 м/с, 15.12.2009) и Лозовая (32 м/с, 26.10.2009). Сведения о максимальных скоростях ветра необходимы для выполнения расчетов на прочность отдельных узлов и элементов ветроэнергетических установок (башни, лопастей, устройств ориентации на ветер и др.).
Распределения скорости ветра являются резко асимметричными, поэтому для их характеристики используются такие основные статистические параметры, как коэффициент вариации и среднее квадратическое отклонение.
Коэффициент вариации Су, характеризующий временную изменчивость значений скорости относительно средней, изменяется от 0,61 до 0,99, что свидетельствует о неоднородности данных, нестабильном во времени и по территории режиме ветра.
Величина среднего квадратического отклонения а является показателем изменчивости или рассеивания значений средней скорости относительно средней многолетней скорости и составляет 1,10-1,74 м/с.
Все рассчитанные и проанализированные выше показатели отображены в таблице 1.
Суточный ход ветра (рис. 1) представляет собой измене-
Таблица 1. Основные характеристики ветрового режима территории Харьковской области по данным метеорологических станций
№ Станция Преобладающее направление ветра Штили, % V с на высоте 10 м, м/с vmax С, о
1. Богодухов В (8,91 %); ЮЗ (8,81 %); ВСВ (8,74 %) 3,29 3,03 32 0,61 1,39
2. Великий Бурлук ЮВ (9,70 %); ЗЮЗ (8,09 %) 17,80 1,85 9 0,75 1,11
3. Золочев СВ (11,31 %); 12,44 2,01 32 0,76 1,10
4. Изюм ЮВ (6,96 %); ВЮВ (6,18 %) 27,34 1,74 12 0,90 1,23
5. Коломак ЮВ (12,84 %) 6,74 2,74 35 0,68 1,45
6. Комсомольское ЮВ (9,48 %) 17,49 1,87 9 0,74 1,11
7. Красноград В (9,80 %); СВ (8,62 %) 8,41 2,19 11 0,66 1,14
8. Купянск С (9,05 %); ЮЗ (7,80 %) 31,12 1,60 37 0,99 1,25
9. Лозовая СВ (9,79 %); ЮЗ (8,83 %) 16,37 2,57 34 0,84 1,65
10. Харьков ЮВ (9,52 %); ЗСЗ (8,96 %); ВЮВ (8,59 %) 8,20 3,61 15 0,61 1,74
ние средних скоростей ветра в течение суток. На территории Харьковской области выражен слабо. Наблюдается незначительное повышение скорости ветра в дневное время и ее снижение в ночное. Суточный ход средних скоростей ветра на метеостанции Харьков обратный: наименьшая средняя скорость ветра отмечается в 17.00 часов и составляет от 2,87 м/с, наибольшая — 3,20 м/с в 23.00 и 02.00 часа ночи.
Годовой ход ветра (рис. 2) представляет собой сезонное изменение среднемесячных скоростей ветра. Для территории Харьковской области характеризуется минимумом в теплое и максимумом в холодное время года.
-Хлрьнію «■ Бошдуком,
- К рагмоград ■■Кут* т.н.
23 02 05 06 11 N 17 20
И ШфСНМИ (ЫКП1М ])|К'МЯ1 Рисунок 1. Суточный ход средних скоростей ветра
Скорость ветра зависит от рельефа местности, шероховатости поверхности, наличия затеняющих элементов и абсолютной высоты места расположения метеостанции над поверхностью земли. Поскольку эти условия на разных станциях Харьковской области отличаются, значения средних скоростей ветра были приведены к сравнимым условиям (открытая ровная местность и высота 10 м от поверхности земли). На основе этих данных также была рассчитана средняя скорость ветра на высоте 100 м и оценена мощность ветрового потока на высотах 10 и 100 м (табл. 2). Для учета условий открытости метеоплощадок была использована классификация В. Ю. Милевского [3]. Расчетные поправочные коэффициенты для каждого направления ветра были определены по ортофотопланам Публичной кадастровой карты Украины [5] (состояние местности на 2011 г.) и использованы при расчётах.
Табличные данные показывают, что средняя приведенная скорость ветра по области на высоте 10 м изменяется от 1,90 м/с на метеостанции Великий Бурлук до 3,71 м/с на метеостанции Харьков. Средняя величина по области
— 2,68 м/с, то есть на 14 % выше, чем среднегодовая скорость ветра, определенная по многолетним рядам данных регулярных измерений. Таким образом, закрытость метеостанций оказывает значительное влияние на скорость ветра и должна быть учтена при оценке ветрового режима и определении ветроэнергетического потенциала территории.
Известно, что с высотой скорость ветра увеличивается согласно степенному закону [6]:
и = и
Так, результаты расчетов показали, что максимальная приведенная среднегодовая скорость ветра на высоте 100 м составляет 5,16 м/с на метеостанции Харьков, минимальная — 2,63 м/с
Скорость ветра является непостоянной величиной, поэтому для оценки ветроэнергетического потенциала территории Харьковской области была использована удельная мощность ветрового потока Р (Вт/м2), которая определяется по формуле [6]:
Р =
Рисунок 2. Годовой ход средних скоростей ветра
1 Ы — \Р
Таблица 2. Приведенная средняя скорость ветра и мощность ветрового потока на высотах 10 и 100 м
№ Станция V ср на высоте 10 м (приведенная], м/с Мощность ветрового потока Р на высоте 10 м, Вт/м2 V на высоте 100 м, м/с Мощность ветрового потока Р на высоте 100 м, Вт/м2
1. Богодухов 3,44 58,86 4,80 158,08
2. Великий Бурлук 1,90 12,86 2,63 34,53
3. Золочев 2,43 33,17 3,38 89,07
4. Изюм 2,43 37,82 3,37 101,56
5. Коломак 3,09 52,60 4,30 141,25
6. Комсомольское 2,21 21,21 3,06 56,95
7. Красноград 2,41 21,61 3,36 58,04
8. Купянск 2,23 39,69 3,11 106,58
9. Лозовая 2,92 59,10 4,06 158,71
10. Харьков 3,71 64,02 5,16 171,94
Удельная мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости, а значит даже незначительное увеличение скорости ветра может привести к существенному увеличению P. В связи с этим, при проведении расчетов использовались не средние скорости ветра за весь период исследования, а результаты регулярных измерений на метеорологических станциях в каждый срок наблюдений (8 раз в сутки). Также учитывались температура воздуха и атмосферное давление в эти же сроки, которые, в свою очередь, влияют на плотность воздуха, что при одинаковой средней скорости ветра, в зависимости от сезона года, может привести к изменению величины мощности ветрового потока на 10-15%.
Таким образом, средняя мощность ветрового потока на территории Харьковской области на высоте 100 м изменяется от 34,53 Вт/м2 на метеостанции Великий Бурлук до 171,94 Вт/м2, 158,71 Вт/м2 и 158,08 Вт/м2 на метеостанциях Харьков, Лозовая и Богодухов соответственно.
Выводы и перспективы дальнейших исследований. Проведенные исследования показали, что наибольшим ветроэнергетическим потенциалом обладают участки территории Харьковской области в границах Харьковского, Богоду-ховского, Лозовского и Коломакского административных районов.
Для обобщения и уточнения результатов оценки ветрового потенциала целесообразным является разработка ветроэнергетического кадастра и создание подробных ветровых атласов для административных областей Украины. Для уточнения проведенных расчётов необходимо также проведение дополнительных инструментальных наблюдений на больших высотах (>10 м), а также моделирование распределения скоростей ветра с использованием специализированного программного обеспечения. Это позволит прогнозировать эффективность и рентабельность ветро-электростанций на той или иной территории, что в свою очередь создаст научнообоснованную теорию развития ветроэнергетики в регионе.
Список использованных источников
1. Молодан Я.Є. Оцінка вітрового режиму території Харківської області для цілей вітроенергетики / А. Н. Некос, Я. Є.
Молодан //Людина та довкілля. Проблеми неоекології. - № 3-4. - Х.: ХНУ імені В.Н. Каразіна. - 2012. - С. 69-77.
2. Екологічний атлас Харківської області. Друге вид., перероб. -Харків. - 2005. - 80 с.
3. Методические указания «Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок». рД 52.04.275-89. - М.: Госкомгидромет. - 1991. - 57 с.
4. http://www.web1akes.com/products/wrp1ot/index.htm1
5. Публичная кадастровая карта Украины http://www.map.1and. aov.ua/kadastrova-karta
6. Ahmeda S. A. A Statistica1 Ana1ysis of Wind Power Density Based on the Weibu11 and Ra1yeigh mode1s of "Penjwen Region" Su1aimani (Iraq) / S. A. Ahmeda, H. 0. Mahammed // Jordan Journa1 of Mechanica1 and Industria1 Engineering. - Vo1. 6 (№
2). - 2012. - P. 135-140.

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх