CC BY
53ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
УДК 621.548(4.495)
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В УСЛОВИЯХ АЗЕРБАЙДЖАНА
1 2 Ф.Ф. Мамедов1, У.Ф. Самедова2
1Институт Радиационных Проблем НАН Азербайджана AZ1141, Баку, ул. Ф.Агаева, 9 Тел. (994 12) 4383224; факс (994 12) 4398318 e-mail: fm-texnika@rambler.ru, fm_solarpower@yahoo.com 2Институт Почвоведения и Агрохимии НАН Азербайджана Баку, AZ1073, ул. М. Ариф, 5. Тел/факс: (+99412) 4383240
В работе рассматриваются возможности использования энергии ветра в различных регионах Азербайджана. Изучены ветровые режимы как на высоте установления флюгера h = 10 м, так и на высотах до 150 м, в частности, были определены среднемесячные и среднегодовые скорости ветра, амплитуды суточных колебаний, главные минимумы по месяцам, скорости порывистых ветров, повторяемости скоростей ветра, а также длительности энергетического затишья. В результате проведенных измерений и расчетов метеостанции Азербайджана объединены в три группы с достаточно однородными повторяемостями (зоны А, Б и В). Были определены оптимальные высоты установления ветроколеса для всех регионов, входящих в зоны А, Б и В. Установлено, что в зоне А целесообразно использование быстроходных ветродвигателей (ВД) мощностью до десятка МВт, служащих для выработки электрической энергии, а в зонах Б и В - тихоходные, а также роторные ВД мощностью до 100 кВт.
PROSPECTS OF WIND ENERGY APPLICATION IN AZERBAIJAN F.F. Mammadov1, U.F. Samadova2
'Institute of Radiation Problems of Azerbaijan NAS 9 F.Agayev str., Baki, AZ1141, Azerbaijan Tel.: (994 12) 4383224; fax: (994 12) 4398318 e-mail: fm-texnika@rambler.ru; fm_solarpower@yahoo.com 2Istitute of Soilscience and Agrochemistry of Azerbaijan NAS 5 M.Arif str., Baki, AZ1073, Azerbaijan. Tel/fax: (+994 12)4383240
In the work resources of wind energy application in different regions of Azerbaijan have been reviewed. Wind regimes were studied by weathercock settled in the height h = 10 m, as well as to 150 m height partly average monthly and average annual wind speed, amplitude diurnal vibration, main minimums on months, flaw speed, repetition of wind speed and also energy calm duration have been determined. At the result of the carried measurements and calculations of Azerbaijan weather stations joined in three groups with enough similar repetition (A, Б and B zones). Optimal height of wind wheel assignment was revealed for all regions included in to A, Б and B zones. In A zone appropriately high-speed windmill (HW) application was revealed. Its power is to ten MW working for electricity generation, and in Б and B zones - low-speed windmill as well as rotor-type WM with 100 kW power is used.
В последнее время во всем мире большое внимание уделяется комплексному использованию различных видов энергоресурсов, совершенствованию методов преобразования, аккумулирования и передачи энергии, а также увеличению масштаба применения в энергетическом балансе будущего экологически чистых, альтернативных источников энергии [1-3], одним из которых является энергия ветра, образующаяся за счет неравномерного нагрева земной поверхности солнечными лучами. Ресурсы ветровой энергии практически неисчерпаемы и составляют 1,58-1016 кВт-ч в год.
В отличие от других традиционных энергоресурсов, в частности жидких и твердых, на «добычу» и транспортирование энергии ветра затраты не производятся. Однако использование энергии ветра как в морских условиях, так и на суше связано с некоторы-
ми затруднениями, что главным образом обусловлено произвольным изменением как его скорости, так и направления. Местная скорость ветра во многом зависит от окружающей среды, в частности от наличия холмов, деревьев, зданий, гор, скал и т.д. Поэтому при выполнении метеорологических наблюдений следует учитывать номенклатуры условий затененности как флюгера или анемометра, так и ветродвигателя (ВД), которые согласно классификации проф. Гриневича были подразделены на восемь классов.
В пограничном слое скорость ветра значительно зависит от высоты установления ветроколеса (ВК) и плотности воздуха, которая может быть определена из следующего упрощенного степенного уравнения [4]:
У и = У и (И/И)а= УиКП, (1)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (75) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
где Vh - среднегодовая скорость ветра вблизи земли на высоте h (высота установления флюгера), м/с; H -высота установления ветроколеса, м; a - безразмерный показатель степени, значение которого зависит от устойчивости атмосферы и шероховатости поверхности; VH - среднегодовая скорость ветра на высоте H, м/с; КП - безразмерный коэффициент пересчета.
Установлено [5, 6], что с увеличением средней скорости ветра значение a уменьшается, т.е. увеличение скорости ветра с высотой бывает незначительным при больших скоростях ветра.
Скорость ветра может быстро изменяться от метеорологического нуля до больших порывов, что следует учитывать при выборе типа и конструкции ВД. Среднемесячная скорость ветра значительно отличается от ее среднегодовых значений, характеризующихся амплитудным изменением в обоих направлениях, которые условно обозначаются знаками + или -.
В работах [1-6] были рассмотрены возможности использования ветровой энергии в ряде зарубежных стран, в частности, в США, в Англии, на территории бывшего СССР, а также в других развитых странах, с учетом местных климатических, метеорологических и географических условий. Хотя в работе [5] приведены некоторые сведения о ветровых ресурсах Азербайджана (на примере метеостанций, установленных, соответственно, в Баку, в Гиль-Гильчае, в Маштаги, в Бине и в Сумгаите), эти сведения являются недостаточными для однозначного определения возможности использования энергии ветра на всей территории республики. Целью настоящей работы является изучение ветровых ресурсов Азербайджана и выявление перспективы использования энергии ветра в Азербайджане с учетом климатических и метеорологических условий республики.
Необходимо отметить, что еще в середине прошлого века в Энергетическом институте им. В.И. Есьмана АН Азерб. ССР были проведены определенные работы по ветровому кадастру и составлена изо-динамическая карта Азербайджанской ССР с различными изодинамами скоростей ветра (до 4 м/с и выше) [7]. Согласно этой карте, после поэтапного уточнения метеостанции, установленные в различных регионах республики, были объединены в три группы. В первую группу вошли метеостанции, расположенные на Апшероне и вдоль узкой береговой полосы Каспийского моря (Сумгаит, Маштаги, Бина, Баку, Пута, Аляты и остров Культук). Эта группа условно названа группой метеостанций с распределением частот типа А (зона А), которая характеризуется высокой повторяемостью ветров со скоростями, пригодными для практического ветроиспользования, с применением как маломощных (до 10 кВт) тихоходных ВД различного назначения, так и мощных ВД, предназначенных в основном для выработки электрической энергии.
Во вторую группу отнесены метеостанции, установленные в Прикуринской низменности (Акстафа, Казах, Тауз, Геокчай, Евлах, Гянджа, Тер-тер, Саби-
рабад, Сальяны, Ширван, Биласувар, Бейлаган, Шемкир, Кази-Магомед, Астара, Ленкорань, Джуль-фа, Лерик, Кедабек и т.д.). Эта группа условно названа группой метеостанций с распределением частот типа Б (зона Б), которая характеризуется повторяемостью скоростей ветра, пригодной для практического ветроиспользования, с применением маломощных (до 10 кВт) тихоходных ВД с последующим аккумулированием энергии, предназначенных, в основном, для обеспечения потребности электрических и неэлектрических энергопотребителей. А для возможности использования быстроходных ВД необходимо подобрать оптимальную высоту установления ветроколеса (ВК) от поверхности земли для каждого района, входящего в эту зону.
В третью группу (зона В) вошли метеостанции, установленные в горных и некоторых низменных регионах республики (Физули, Агдам, Ярдымлы, Дашкесан, Ханкенди, Шуша, Лерик, Зардоб, Джеб-раил, Келбаджары, Лачин, Зенгилан, Шахбуз, Губа, Шемаха, Исмаиллы, Габала, Огуз, Шеки, Закаталы, Белаканы и Ках). В работе [7] ввиду того, что зона В для практического ветроиспользования интереса не представляла, она дальнейшим исследованиям не подвергалась и авторы удовлетворились лишь тем, что гистограммы, построенные по данным метеостанций этой зоны, были объединены в три подгруппы с сильно вытянутыми левыми частями, характеризующимися скоростями ветра до 1,0; 0,8 и 0,5 м/с соответственно. Ниже будут рассмотрены также возможности ветроиспользования в регионах, входящих в эту зону.
По данным многолетних метеорологических исследований (до 20 лет) установлено, что гистограммы всех метеостанций зоны А, кроме метеостанций Пута и Алят, весьма близко подходят друг к другу, а последние отличаются от остальных сильно развитой левой частью, характеризующейся большим количеством повторяемости ветров со скоростями менее 2,0 м/с. По всей вероятности, это обусловлено влиянием отрогов Большого Кавказского хребта. Гистограммы метеостанций второй (зона Б) и третьей (зона В) группы также характеризуются сильно развитой левой частью (со скоростями ветра до 1,5 и 1,0 м/с соответственно) и крутым спадом правой краевой ветви (почти полностью отсутствуют скорости ветра выше 10-15 м/с).
С учетом многолетних анемометрических измерений, проводимых на 182 метеостанциях, расположенных в соответствующих зонах республики, определены суточные изменения средних скоростей ветра. В табл. 1 приведены среднемесячные и среднегодовые скорости ветра для некоторых выборочных метеостанций, расположенных, соответственно, в зонах А, Б и В (высота флюгера И = 10 м), которые были определены с учетом моментов наступления главного минимума, а также величин их относительного отклонения от нормы.
3
Ж
•и: -
53
Таблица 1
Среднемесячные и среднегодовые скорости ветра для выборочных метеостанций, установленных, соответственно, в зонах А, Б и В Азербайджана (высота флюгера h = 10 м)
ТаЪк 1
Average monthly and average annual wind speed for the selected meteostations installed, correspondingly, in the zones А, Б и В of Azerbaijan (hight of wind vane h = 10 m)
Метеостанция Среднемесячные скорости ветра, м/с Vh Главный
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII м/с минимум, %
Апшерон-Маяк 7,6* 8,4 8,8 8,0 7,6 7,6 7,8 8,0 7,6 7,7 7,6 7,8 8,0 5
Пираллахи остров 8,5 8,4 8,7 7,6 7,1* 7,7 7,9 7,5 7,7 7,7 8,0 7,9 7,8 9
Сумгаит 7,8 6,9 7,5 7,0 6,6 6,3* 7,17. 7,4 6,8 7,1 6.8 6,6 7,0 10
Пута 6,9 7.4 7,5 7,2 7,0 8,1 8,1 7,8 6,5 6,2 5,4* 5,5 7,0 23
< es Мардакяны 7,2 7,5 7,6 7,0 6,7 7,0 7,3 6,3* 6,5 6,3* 6,7 6,6 6,7 6
к о го Баку 6,7 6,5 7,3 6,5 6,4 6,7 6,6 6,8 6,4 6,3 5,9 5,4* 6,5 17
Маштаги 6,6 6,1 6,7 6,0 5,9 5,7 6,6 5,8 5,1* 5,3 5,4 5,1* 5,8 12
Кызыл Бурун 3,8 3,7* 4,2 4,7 4,2 4,4 4,4 4,4 4,3 3,7* 4,0 3,7* 4,2 12
Алят 4,1 3,9 4,7 4,1 4,2 4,3 5,0 4,8 4,2 4,0 3,8* 3,8* 4,2 9
Остров Култук 3,7 3,8 4,6 4,0 4,2 4,3 4,3 4,4 3,8 3,8 3,4* 3,4* 4,0 15
Гянджа 2,9 3,3 3,8 3,9 3,5 3,6 3,6 3,6 3,1 2,9 2,5* 2,7 3,2 22
Сальяны 3,1 3,3 3,7 3,2 3,2 3,4 3,2 3,3 3,0 2,9 2,7* 2,7* 3,1 13
Ленкорань 2,7* 2,8 3,5 3,4 3,2 3,1 2,8 2,9 2,9 3,0 2,9 2,7* 3,1 13
Тер-тер 2,9 2,9 3,2 3,2 3,1 3,0 2,8 2,6 2,6 2,9 2,5* 2,8 2,9 14
Астара 3,2 3,1 3,1 2,9 2,7* 2,8 2,7* 2,9 2,7* 2,8 3,0 2,9 2,9 7
Джебраил 2,9 3,1 2,9 3,0 3,3 3,4 3,4 3,0 2,7 2,4* 2,5 2,6 2,9 17
Мингечаур 2,5 3,0 3,0 3,1 2,8 2,8 2,7 2,4* 3,1 2,7 2,5 2,5 2,7 11
м Нахичевань 1,0* 2,0 2,7 3,1 2,6 3,0 3,9 3,8 3,3 2,6 1,8 1,0* 2,6 61
CS к Джульфа 1,6 1,7 2,1 2,0 2,2 3,7 5,7 5,2 3,3 1,6 1,1* 1,3 2,6 58
го Евлах 2,1 2,6 3,0 3,0 3,1 3,1 3,0 2,5 2,3 2,2 1,9 1,6* 2,5 36
Акстафа 2,2 2,5 2,8 2,9 2,6 2,7 3,1 2,7 2,5 2,2 1,8 1,5* 2,5 40
Курдамир 2,0 2,2 2,5 2,5 2,7 2,8 2,6 2,4 2,2 2,1 1,8* 1,9 2,3 22
Лерик 3,0 3,0 2,5 2,4 2,2 2,1 2,0 2,1 1,9 1,6* 2,4 2,5 2,3 30
Кедабек 3,0 2,4 2,7 2,6 2,0 1,8 1,7* 1,9 1,7* 1,8 2,1 2,6 2,3 26
Ширван 1,8 2,2 2,7 2,6 2,6 2,5 2,5 2,3 2,1 1,9 1,9 1,7* 2,2 23
Сабирабад 1,9 2,2 2,7 2,8 2,7 2,7 2,3 2,2 2,0 1,9 1,6* 1,8 2,2 27
Хачмас 1,8 2,1 2,2 2,4 2,4 2,4 2,1 2,2 2,2 1,9 1,8 1,6* 2,1 24
Физули 2,0 2,0 2,1 2,2 2,0 2,2 2,3 2,3 1,9 1,9 1,8* 1,9 2,0 10
Дашкесан 1,9 2,1 2,4 2,3 2,2 2,0 2,2 2,1 2,1 1,8 1,9 1,7* 2,0 15
Шемаха 2,2 2,5 2,5 2,2 1,9 2,1 1,8 2,0 1,6 1,8 1,8 1,7* 2,0 20
Агдам 1,8 1,9 1,7 1,7 2,0 2,1 2,2 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6* 1,9 16
m Шеки 2,5 2,3 2,0 1,8 1,8 1,7 1,5* 1,7 1,8 2,0 1,8 1,8 1,9 21
CS К Зардоб 1,7 2,0 2,2 2,5 2,3 2,1 1,7 1,5 1,5 1,6 1,5 1,3* 1,8 28
го Ханкенди 1,6 1,8 1,8 1,9 1,7 1,8 1,9 1,9 1,9 1,7 1,6 1,3* 1,7 24
Ярдымлы 2,2 2,1 1,3* 1,4 1,5 1,5 1,5 1,6 1,6 1,5 1,4 1,9 1,6 19
Шуша 1,7 1,7 1,5 1,6 1,6 1,6 1,6 13* 1,4 1,4 1,4 1,4 1,5 13
Закаталы 1,0 1,1 1,3 1,3 1,3 1,3 1,2 1,3 1,1 1,1 1,1 0,9* 1,2 25
Габала 0,6 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,0 1,2 0,8 0,7 0,5* 0,6 0,8 38
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (75) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Как видно из табл. 1, в большинстве случаев наступление главного минимума наблюдается в ноябре-декабре. Это характерно как для Апшерона, Прикаспийской зоны и Прикуринской низменности, так и для некоторых горных районов республики, например, для Закаталы, Ханкенди, Дашкесана и др. На некоторых метеостанциях наступление главного минимума наблюдается в весенний период (о. Артем и Жилой - в мае, Ярдымлы - в марте), в Сумгаите - в июне, в Шеки - в июле, в Шуше и Мингечауре - в августе, в Шемахе - в сентябре, в Лерике и Джеб-раиле - в октябре. А в некоторых пунктах главный минимум отмечается два и более раз: Апшерон-Маяк - в январе, в мае-июне, в сентябре и ноябре; Мардакяны - в августе и октябре; Астара - в мае, июле и сентябре; Кедабек - в июне и сентябре.
Март характерен для Апшерона как месяц наиболее интенсивных ветров, хотя в некоторых случаях наблюдаются гораздо более сильные ветры и в другие месяцы: январь - в Сумгаите, июль - в Баку, Пу-та, Шубанах.
Для Прикаспийской зоны характерны зимние минимумы и весенние максимумы интенсивности ветров, а иногда наличие второго максимума и в летний период.
Прикуринская низменность отличается повышенными скоростями ветра в весенне-летний период времени и понижением его интенсивности к зиме. Это наблюдается также и в Гяндже, где максимум интенсивности ветра приходится на апрель, а минимум - на декабрь.
В горных районах, располагающихся на северо-западе республики (Габала, Закаталы, Гах, Белакан, Огуз, Губа и т.д.), ветровые режимы не поддаются систематизации, за исключением того, что в этих районах наиболее интенсивные ветры наблюдаются в летнем, а слабые ветры - в осеннем и зимнем сезонах.
Наиболее существенные колебания среднемесячных скоростей ветра, которые носят аномальный характер, наблюдаются в Нахичевани и в Джульфе. Кроме того, как видно из табл. 1, во всех трех зонах для некоторых метеостанций главные минимумы составляют свыше 20%. Это свидетельствует о том, что в указанных метеостанциях наблюдаются большие колебания амплитуд сезонных скоростей ветра, что делает весьма эффективным использование энергии ветра в этих регионах республики для обеспечения потребности сезонных потребителей. Некоторые противоречия между показателями метеостанций зоны Б и В связаны со степенью открытости флюгера, а также с влиянием некоторых статических и рельефных параметров. В результате дополнительных анеморазведок с использованием передвижных метеостанций, снабженных флюгером с возможностью изменения высоты ветроприемного устройства (датчика), определено, что данные, приведенные в табл. 1, являются несколько заниженными. Например, согласно табл. 1 для г. Сальяны среднегодовая скорость ветра составляет 3,1 м/с, и она не может
быть характерна для всего региона в целом. Это связано с тем, что метеостанция Сальяны расположена в пределах города, что по условиям затененности соответствует 6 классу по Гриневичу. В случае обеспечения условий затененности в соответствии с 5 классом и установки флюгера на высоте 16 м среднегодовая скорость ветра повышается до 4,1 м/с, т.е. до уровня достаточной для практического использования энергии ветра, если учесть, что минимальная среднегодовая скорость ветра для практического ветроиспользования - 4 м/с. Аналогичная ситуация наблюдается и на Апшеронском полуострове. Если согласно изодинаме среднегодовая скорость ветра на этом полуострове (в западной части г. Баку) составляет 6-7 м/с, то анеморазведки показывают, что в отдельных точках указанного полуострова, в частности, на вершинах холмов, среднегодовые скорости ветра достигают 10 и более метров в секунду. Серьезные возражения вызывают также изодинамы, приведенные для гористых районов Большого и Малого Кавказа (Губа, Хачмаз, Шемаха, Исмаиллы, Габала, Огуз, Шеки, Закаталы, Белакан, Кахи и др.) и Талы-ша (Масаллы, Лерик, Астара, Ленкорань, Джебраил и т.д.). Некоторые расхождения наблюдаются также и в изодинамах с метеостанций, установленных в высокогорных районах Нагорного Карабаха (Хан-кенди, Шуша, Лачин, Келбаджары, Губадлы, Зенги-лан и т. д.). Все указанные расхождения от действительности обусловлены тем, что результаты исследований метеостанций, расположенных в высокогорных районах, не могут быть репрезентативными для всей окружающей местности. И здесь не помогут никакие приведения, ибо даже если мы учтем затененность флюгера, расположенного в поселке и окруженного деревьями и зданиями, все равно трудно определить, какая скорость ветра будет в точке, расположенной неподалеку от метеостанции.
В результате проведенных многолетних анемо-метрических измерений установлено также, что чем больше среднегодовая скорость ветра, тем меньше коэффициент ее вариации. Например, если для зоны А коэффициент вариации меняется в пределах от 5,7 до 8%, то для зоны Б и В их значения достигают соответственно 11,8% и 31,1%.
Кроме вышеуказанных факторов следует отметить еще и то важное обстоятельство, что после составления первой изодинамической карты по ветровым ресурсам республики в Азербайджане были построены сперва Мингечаурская, а далее (в конце XX века) Шемкирская гидроэлектрические станции, которые привели к существенному изменению климатических условий, наблюдаемых в примыкающих регионах республики, том числе и ветрового режима, в сторону увеличения среднегодовых скоростей ветра, а также его рабочих скоростей.
Если судить по данным, приведенным в табл. 1, можно прийти к выводу, что в условиях Азербайджана для эффективного использования энергии ветра пригодны только те регионы, которые относятся к
распределению частот типа А (зона А). Однако в дальнейшем было определено, что практически во всех регионах республики возможно полезное использование энергии ветра, для чего необходимо установление ВК на оптимальной высоте НОПТ от поверхности земли, которая от Гянджи (зона Б) до Габала (зона В) меняется в весьма широких пределах. Для указанной цели сперва были найдены расчетные значения среднегодовых скоростей ветра на высотах от 10 до 150 м с применением уравнения (1), а далее определены оптимальные высоты установления ВК, при которых среднегодовые скорости ветра становятся выше 4 м/с. С целью установления функциональных зависимостей между коэффициентом пересчета КП и высотой Н за степенные показатели для зоны А, Б, В были приняты аА = 0,143; аБ = 0,245; аВ = 0,335 соответственно. При этом были учтены результаты, приведенные в работах [4-6], а также возможные вариации указанных степенных показателей аА = 1/7 ± 0,05; аБ = 1/4 ± 0,05; аВ = 1/3 ± ± 0,05. На рис. 1 представлены графические зависимости коэффициента пересчета КП и средних значений среднегодовых скоростей ветра (УН )ср для зоны А, Б, В, а также соотношение [(Уь )ср /(УН) ср] -10-1 от высоты Н. В данном случае за (Уь )ср приняты средние значения среднегодовых скоростей ветра для зоны А, Б и В, найденные расчетным путем с учетом данных многолетних анемомет-рических измерений на уровне стандартной высоты установления флюгера И = 10 м, численные значения
которых составляют, соответственно,
V )А
= 6,1 м/с;
го и Огузского районов республики. Как видно из табл. 2, в Габале оптимальная высота ВК составляет НОПт = 1220 м. Аналогичные ситуации наблюдаются также и в других соседних районах, входящих в зону В, данные о которых не приведены в табл. 1 и 2 (Ис-маиллы, Огуз, Гах и Белаканы).
УН, м/с; V / УН)-10"1, К, доля ед. 121
0
40
80
120
H, m
160
(уи )Б = 2,6 м/с и (уи )В = 1,7 м/с.
В табл. 2 приведены результаты расчета среднегодовых скоростей ветра для выборочных значений Н, в частности для Н = 30, 60, 90, 120 и 150 м. Как видно из рис. 1 и табл. 2, несмотря на то, что на всех метеостанциях, входящих в зоны Б и В, среднегодовые скорости ветра на высоте 10 м меньше его минимального рабочего значения, необходимого для трогания быстроходных ВД (4 м/с), для Гянджи, входящего в зону Б при Н > 25 м, вполне целесообразно использование энергии ветра как с применением быстроходных и тихоходных ВД пропеллерного типа с горизонтальной, так и тихоходных ВД роторного типа с вертикальной осью вращения. В зоне Б максимальное значение НОПт наблюдается на метеостанции Хачмас, оно составляет НОПТ > 139 м. А для ряда метеостанций зоны В со среднегодовыми скоростями ветра У и = 2 м/с (Дашкесан, Физули и Шемаха) оптимальная высота установления ВК составляет НОПТ = 79,5 м. Самое худшее положение относительно ветроиспользования наблюдается на метеостанции Габала. Это наверняка связано с тем, что Габалинский район с северней стороны прикрыт скалистыми горами Большого Кавказа, а с восточной и западной сторон - горами и холмами Исмаиллинско-
Рис. 1. Графические зависимости среднегодовой скорости VH (кривые 1, 2 и 3), соотношение (Vh / VH)-10-1 (кривые 4,
5 и 6) и коэффициента пересчета Кп (кривые 7, 8 и 9) от высоты Н для зоны А (кривые 1, 4 и 7), Б (кривые 2, 5 и 8) и В (кривые 3, 6 и 9)
Fig. 1. Graphie dependence of average annual VH (curves 1, 2
and 3), eorrelation (Vh / VH )-10-1 (curves 4, 5 and 6) and coefficients of recalculation Кп (curves 7, 8 and 9) depending on the height Н for A zone (curves 1, 4 and 7), Б (curves 2, 5 and 8) and B (curves 3, 6 and 9)
Несогласованность данных некоторых метеостанций зоны Б (Лерик, Кюрдамир, Кедабек, Саби-рабад и Хачмас) и В (от Дашкесан до Ханкенди) связана со значительным отличием друг от друга степенных показателей, выбранных для этих зон, (аБ = = 0,245; аВ = 0,335). Это еще раз подтверждает, что при малых значениях Vh влияние степенного показателя а на Vh больше, чем при его больших значениях. Действительно, как видно из рис. 1, для зоны В между Кп и H имеется более крутая зависимость, нежели для зоны Б и А, что оказывает соответствующее влияние на характеры изменения ( VH )ср и [( Vh )ср /(VH ) ] -10-1 от H для соответствующих зон. Однако следует отметить, что расчетные значения VH , найденные с применением уравнения (1), являются несколько заниженными. В работах [4-6] указано, что значение энергии ветра резко изменяется при изменении высоты флюгера и в типичных случаях увеличивается на 30-60% при изменении высоты от 10 до 20 м. Поскольку в нашем случае высота флюгера составляет h = 10 м, а среднегодовые скорости ветра для различных высокогорных районов, входящих в зону В, определены также на основе данных анемометрических измерений, проводимых именно на указанной высоте флюгера, то, естественно, это отрицательно повлияло на полученные результаты.
8
4
Таблица 2
Среднегодовые скорости ветра на различных высотах и оптимальные высоты установки ВК для флюгера (для некоторых выборочных метеостанций зоны Б и В )
ТаЬ1е 2
Average annual wind speed in different heights and optimal heights of windwheel installation for wind vane (for various selected meteostations of Б and В zones)
Метеостанция Среднегодовые скорости ветра, м/с, на высоте НВК, м Оптимальная
10 30 60 90 120 150 высота ВК, м
Гянджа 3,2 4,19 4,96 5,47 5,89 6,21 25,0
Сальяны 3,1 4,06 4,81 5,30 5,70 6,01 28,5
Ленкорань 3,1 4,06 4,81 5,30 5,70 6,01 28,5
Джебраил 2,94 3,85 4,56 5,03 5,41 5,70 35,5
Тер-тер 2,86 3,75 4,43 4,89 5,26 5,55 39,0
Астара 2,86 3,75 4,43 4,89 5,26 5,55 39,0
Мингечаур 2,73 3,58 4,23 4,67 5,02 5,30 48,0
м Нахичевань 2,62 3,43 4,06 4,48 4,82 5,08 56,0
tf К Джульфа 2,59 3,39 4,01 4,43 4,77 5,02 59,0
го Евлах 2,5 3,28 3,88 4,28 4,60 4,85 68,5
Акстафа 2,5 3,28 3,88 4,28 4,60 4,85 68,5
Лерик 2,33 3,05 3,61 3,98 4,29 4,52 91,0
Кюрдамир 2,3 3,01 3,57 3,93 4,23 4,46 96,5
Кедабек 2,3 3,01 3,57 3,93 4,23 4,46 96,5
Сабирабад 2,22 2,91 3,44 3,8 4,08 4,31 111,0
Хачмас 2,1 2,75 3,26 3,59 3,86 4,07 139,0
Дашкесан 2,0 2,52 3,64 4,18 4,60 4,96 79,5
Физули 2,0 2,52 3,64 4,18 4,60 4,96 79,5
Шемаха 2,0 2,52 3,64 4,18 4,60 4,96 79,5
Шеки 1,9 2,39 3,46 3,97 4,37 4,71 92,5
Агдам 1,9 2,39 3,46 3,97 4,37 4,71 92,5
m tf Зардоб 1,8 2,27 3,28 3,76 4,14 4,46 109,0
ш о го Ханкенди 1,67 2,1 3,04 3,49 3,84 4,14 135,0
Ярдымлы 1,58 1,99 2,88 3,30 3,63 3,92 160,5
Шуша 1,54 1,94 2,80 3,22 3,54 3,82 173,0
Закаталы 1,2 1,51 2,18 2,51 2,76 2,98 365,0
Габала 0,8 1,01 1,46 1,67 1,84 1,98 1220
В конце прошлого столетия ведущими специалистами США был проведен ряд исследований по определению вертикальной экстраполяции ветра как с применением логарифмического и степенного профилей скорости [5, 6], так и с использованием измерительных приборов, установленных на высоких башнях [8], и путем радиозондирования на высотах от 800 до 3000 м [4]. Анализируя результаты всех методов измерения, приняли, что в общем случае на высотах ближе к вершине гор скорости ветра (в том числе среднегодовые) составляют ~30-70% от скоростей, характерных для соответствующих высот открытой местности, относящихся к зонам с более интенсивными скоростями ветра. Учитывая это, для горных районов республики на высотах от 100 до
2000 м были определены наиболее вероятные среднегодовые скорости ветра. При этом за базовые данные было принято среднее значение среднегодовых скоростей ветра для зоны А (Уи )ср = 6,1 м/с, найденное расчетным путем с использованием данных табл. 1, а также среднегодовые значения скоростей ветра на высотах 100, 500, 1000, 1500 и 2000 м, найденные также расчетным путем для зоны А с применением
уравнения (1) при условии (Уи )ср = 6,1 м/с; аА = 0,143.
Далее с применением следующей эмпирической формулы были найдены среднегодовые значения скоростей ветра УИ для различных высот горных местностей:
"Г туГтТо
v1 = к vо
УН Jvnr H '
(2)
I ;*5
57
где КП - коэффициент пересчета среднегодовых скоростей ветра для горных местностей или холмов (в нашем случае К = 0,3-0,7); УН - среднегодовые скорости ветра на различных высотах открытой местности с частотным распределением типа А (зона А).
На основе полученных из расчета данных были построены графические зависимости У от Н для
двух случаев, которые представлены на рис. 2 (кривые 1 и 2). Причем кривая 1 построена для различных уровней высоты гор с вершиной 2000 м, а кривая 2 - для горы или холмов с различными высотами вершин (от 100 до 2000 м). При этом в первом случае численные значения КП для высоты 100, 500, 1000, 1500 и 2000 м составляют 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7 соответственно, а во втором случае КП имеет постоянное значение (0,7), а высоты вершин гор или холмов меняются. Как видно из рис. 2, в первом случае У^ более резко зависит от Н, нежели во втором случае. Это объясняется тем, что в первом случае со стороны горы создается эффект собственного затенения (самозатенение), в результате чего значительно ухудшаются условия открытости зоны исследования, что приводит к резкому снижению скорости ветра при малых значениях , а во втором случае все зависит от наличия на близких расстояниях (от 2 до 10 км) других горных массивов или холмов. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными авторами работ [9, 10], которые провели соответствующие расчеты для некоторых выборочных участков Азербайджана с применением функции распределения Вейбулла (трехпараметрическое распределение) и в конечном итоге определяли наиболее вероятные среднегодовые скорости ветра на высотах до 50 м с учетом ряда статических параметров.
VH , м/с
10 8 6 4 2
400
800
1200
1600Н м 2000
Рис. 2. Зависимости среднегодовых скоростей ветра для гористых местностей и холмов VH от высоты Н
(кривая 1 - для различных уровней высоты горы с высотой вершины 2000 м; кривая 2 - для горы или холмов с различными высотами вершин от 100 до 2000 м) Fig. 2. Dependence of average anual wind speed for mountainous areas and hills VHr depending on Н (curve 1 - for different
level of mountain height with 2000 m; curve 2 - for mountains and hills with various heights from 100 to 2000 m)
Из сопоставления табл. 2 и рис. 2 видно, что в районах республики с самыми худшими метеорологическими и рельефными условиями также возможно сезонное использование энергии ветра с достаточно высокой эффективностью, так как согласно рис. 2 для гористых районов, входящих в зоны Б и В, на вершинах холмов с высотой 50-100 м, отдаленных от высоких горных массивов, среднегодовая скорость ветра может меняться в пределах от 5,5 до 6,3 м/с, что соответствует удельным мощностям от 102 до 154 Вт/м2 и плотностям потока энергии ветра от 419 до 631 Вт/м2, которые могут быть найдены расчетным путем из следующего эмпирического выражения [11]:
э = o,5pv;3(i+з/к1),
(3)
где V - средняя скорость ветра, отличающаяся на
10-12% от ее среднегодовой скорости V, которая называется константой Вейбулла (принимаем V = 1,11V); K1 - показатель степени (экспонента) Вейбулла, который меняется в пределах 0,9 < K1 < 2 (нами принято K1 = 1,5); р = 1,23 кг/м3 - плотность воздуха.
Полезная мощность, вырабатываемая ВД, составляет
Р = ЭFI, (4),
где F - площадь поверхности, ометаемой ветроколе-сом, которая равна F = nD2 /4 (D - диаметр ВК); £ -коэффициент использования энергии ветра (в данном случае нами для тихоходных и быстроходных ВД принято, соответственно, £Т = 0,3 и ^ = 0,45).
Таблица 3
Полезно вырабатываемые мощности ВД с различными диаметрами ВК (для V^ = 6,3 м/с)
ТаЬ1е 3
Effective energy output of WPP with several diameters o f WW (for VYH = 6,3 m/s)
Тип ВД Полезная мощность ВД, Вт при диаметре ВК, м
3 4 6
быстроходные 2006 3567 5574
тихоходные 1337 2378 3715
С учетом указанных значений £ для обоих типов ВД с диаметрами ВК Б = 3, 4 и 6 м из уравнения (4) были найдены соответствующие значения РП . Расчеты проведены для среднегодового значения скорости ветра (на высоте вершины холмов Н = 100 м), У^ =
= 6,3 м/с. Результаты расчета приведены в табл. 3. Как видно из табл. 3, указанные мощности вполне устраивают энергопотребности стратегических военных объектов, объектов со светосигнальными и те-
0
лерадиокоммуникационными устройствами, предназначенными для защиты самолетов и других летательных машин от катастрофы, а также объектов фермерского хозяйства, находящихся на определенной высоте горных массивов, в том числе на вершинах гор и холмов. Необходимо отметить еще тот важный факт, что для значений УН, найденных из уравнения (2), оптимальные высоты НОПТ для горных районов республики значительно уменьшаются, что является существенным преимуществом. Так, например, если с учетом анемометрических данных, полученных от метеорологических измерений, проводимых на высоте флюгера к = 10 м, оптимальная высота для Габалы составляет 1220 м, то согласно рис. 2 она приобретает значение не более ~ 450 м. Соответствующим образом снижаются также величины НОПТ и для других горных районов республики (Хачмас, Ханкенди, Ярдымлы, Шуша, Кахи, Заката-лы, Огуз, Исмаиллы, Шемаха и др.).
Необходимо отметить, что для возможности более точного определения эффективности ветроиспользо-вания, как с энергетической, так и с экономической точки зрения, знания только лишь изодинамы изменения среднегодовых скоростей ветра недостаточно. При этом необходимо изучать также и другие важные характеристики ветровых режимов, к числу которых относятся кратковременные изменения скорости ветра в пределах от штиля до порывов, суточные колебания амплитуды скоростей ветра по месяцам, максимальные значения порывных скоростей ветра, повторяемости скоростей ветра в промилле для всех типов распределения частот, а также длительности энергетических затиший в годичном цикле.
ДУ м/с
4 /
"2 -6-
1 ^^
8' 2 ^—\ ! / 1 >
15
Рис. 3. Графики изменения абсолютных суточных амплитуд скоростей ветра по месяцам для некоторых выборочных метеостанций зоны А (1 - Апшерон-Маяк; 2 - Культук), Б (3 - Гянджа; 4 - Хачмас; 5 - Джульфа) и В (6 - Дашкесан;
7 - Закаталы; 8 - Шуша) Fig. 3. Graphics of changings of absolute diurnal amplitude speed of wind on months for some selected meteostations of zones in А (1 - Absheron-Mayak; 2 - Kultuk), Б (3 - Ganja; 4 - Khachmaz; 5 - Julfa) and В (б - Dashkasan; 7 - Zakatala;
8 - Shusha)
На рис. 3 представлены графики изменения абсолютных суточных амплитуд скоростей ветра по месяцам для некоторых выборочных метеостанций, относящихся, соответственно, к зонам А (метеостан-
ции Апшерон-Маяк и Культук), Б (Ганджа, Хачмас и Джульфа) и В (Дашкесан, Закаталы и Шуша). В данном случае за величину суточной амплитуды принимается разница между скоростью ветра в 13 ч. дня и скоростью ветра в 1 ч. ночи (ДУ = Удн - Уноч). Как видно из рис. 3, в Джульфе абсолютная месячная амплитуда в августе составляет -2,4 м/с, а в сентябре она подскакивает до +3,1 м/с, что значительно влияет на среднемесячные значения скоростей ветра, например, при среднегодовой скорости ветра 2,6 м/с среднемесячное значение ее в июле достигает 5,7 м/с (см. табл. 1). Это наверняка связано с летним влиянием местных горно-долинных ветров, что делает возможным эффективное сезонное использование в указанном регионе республики ВД с горизонтальной осью вращения и высотой мачты 6-10 м.
Анализируя рис. 3 и табл. 1, можно сделать выводы еще и о том, что в тех регионах, где главные минимумы интенсивности ветра наблюдаются в летние, а максимумы - в зимние периоды года, целесообразно применение ВД для отопления и горячего водоснабжения. А в других регионах республики выгодно использование ВД для выработки электроэнергии [12] и сжатого воздуха, для перекачки воды [13], а также для электролиза воды с последующим получением энергоемкого и экологически чистого энергоносителя - водорода [14].
В табл. 4 приведены значения порывных скоростей ветра на различных высотах У^, найденные расчетным путем с применением эмпирической формулы
V" = Vh K
пор пор П ■
(5)
где У^р - скорость порывного ветра на высоте к = 10 м; КП - коэффициент пересчета, определяемый из следующей логарифмической формулы для различных значений Н:
1п(Н/к,)
Кп =-
(6)
1п(кД)
где к0 - высота, на которой скорость ветра равна нулю, она зависит от шероховатости подстилающей поверхности (для зоны А, Б и В нами приняты, соответственно, к0А = 0,032 м; к0Б = 0,06 м; к0В = 0,2 м).
Как следует из табл. 4, по сравнению с зоной А в зонах Б и В порывные скорости ветра зависят от высоты более резко, что обусловлено аналогичным изменением КП от Н при выбранных значениях к^А , к0Б, к0В. Что касается выборочных значений У^р, то
необходимо отметить, что на указанной высоте флюгера в зоне Б в течение всего года порывные ветры со скоростью свыше 18 м/с, а в зоне В - свыше 12 м/с встречаются в редких случаях. Поэтому в данном случае нами были рассмотрены не только реальные, но также и теоретически возможные случаи, что необходимо учесть при выборе типа, конструкции и высоты установления ВД.
мес
3
,tAjL
59
Таблица 4
Изменение порывных скоростей ветра V^ в зависимости от высоты H для зон А, Б и В
ТаЪк 4
Changing of flaw speed V" depending on the height H for A, Б and В zones
н, м VH , м/с
Зона А Зона Б Зона В
10 20 25 30 15 10 15 20 25 10 14 18 22
20 22,4 28,0 33,6 16,8 11,4 17,0 22,8 28,4 11,8 16,5 21,2 25,9
30 23,8 29,8 35,7 17,9 12,2 18,2 24,4 30,4 12,8 17,9 23,1 28,2
40 24,8 31,0 37,2 18,6 12,7 19,1 25,4 31,8 13,5 19,0 24,4 29,8
50 25,6 32,0 38,4 19,2 13,2 19,7 26,4 32,9 14,1 19,8 25,4 31,0
60 26,2 32,8 39,4 19,7 13,5 20,3 27,0 33,8 14,6 20,4 26,2 32,1
70 26,8 33,5 40,2 20,1 13,8 20,7 27,6 34,5 15,0 21,0 26,9 32,9
80 27,2 34,1 40,9 20,4 14,1 21,1 28,2 35,2 15,3 21,4 27,6 33,7
90 27,6 34,6 41,5 20,7 14,3 21,4 28,6 35,7 15,6 21,9 28,1 34,4
100 28,0 35,0 42,0 21,0 14,5 21,8 29,0 36,3 15,9 22,2 28,6 35,0
110 28,3 35,4 42,5 21,3 14,7 22,0 29,4 36,7 16,1 22,6 29,0 35,5
120 28,7 35,8 43,0 21,5 14,9 22,3 29,8 37,2 16,4 22,9 29,4 36,0
130 28,9 36,2 43,4 21,7 15,0 22,5 30,0 37,5 16,6 23,2 29,8 36,4
140 29,2 36,5 43,8 21,9 15,2 22,7 30,4 37,9 16,8 23,6 30,2 36,9
150 29,4 36,8 44,1 22,1 15,3 22,9 30,6 38,2 16,9 23,7 30,5 37,2
Как было указано выше, другими важными характеристиками ветрового кадастра являются длительность энергетических затиший, а также повторяемость рабочих скоростей ветра. Общая закономерность повторяемости рабочих скоростей ветра, предложенная проф. Гриневичем, с учетом всего комплекса местных особенностей, а также физико-географических условий, имеет следующий вид:
AV l V
th = 1000 VV I exp
- (V
(7)
AV l V t = 884^ I =
для зоны Б
V V V
AV l V
exp
th=752v (V1 exp
-0,531 V
V
(8)
(9)
где th - повторяемость скоростей ветра на высоте
установления флюгера в промилле; У - среднегодовая скорость ветра, м/с; У - мгновенная скорость ветра (измеряемая), м/с; ДУ - выбранный интервал градации средней скорости ветра, м/с; а, р, к, п - параметры, которые определяются из статических характеристик распределения скоростей ветра.
С учетом уравнения (7) для выравнивания всех эмпирических распределений скоростей ветра в зонах А и Б Азербайджанской республики были предложены следующие расчетные уравнения кривой распределения скоростей ветра [7]: для зоны А
С применением уравнений (8) и (9) были проведены компьютерные расчеты и определены количества повторяемостей рабочих скоростей ветра для различных значений У (от 0,5 до 20 м/с) и У (от 1 до 8 м/с). Расчеты проведены для высоты флюгера И = 10 м. Для простоты за шаг изменения средней скорости ветра
принято ДУ = 1 м/с. Далее были определены количества повторяемостей рабочих скоростей ветра на различных высотах установления ВК с использованием следующей эмпирической формулы [1].
thKn.n.
(10)
где t Н - повторяемость рабочих скоростей ветра на высоте Н; КПП - коэффициент пересчета повторяемости, который для условий Азербайджана с минимальной погрешностью может быть найден из выражения
60
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (75) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
£ i
2/5
кп.п.=(н/л)
0,0526(1-(1/n))
(11)
где п - число измерений на уровне к (в данном случае п = 20); 0,0526 - коэффициент, зависящий от метеорологических факторов и статических параметров [11].
th, случай
боог
400
200
0 2 tH, случай
V, м/с
18
10С 0
1
< 2
8 7
10
14 V, м/с 18
b
600
th, случай
400
200
„ 1
LA
8
■—•йаб
10
14 V, м/с 1
tH, случай
10С
Y
*
8
6
10
14 V, м/с 18
b
Рис. 4. Графические зависимости повторяемостей рабочих скоростей ветра от мгновенных скоростей применительно
к режиму распределения частот типа А (Vh = 1-8 м/с):
a - для Н = 10 м; b - для Н = 150 м Fig. 4. Graphical dependence of repetition of working wind speed
from momentary speed in respect to distribution regime of frequency types of А: - for Н=10 m; (curves 1-8, correspondingly to
V, = 1-8 m/s): а - for Н = 10 m; b - for Н = 150 m
Из уравнения (11) сначала были найдены численные значения КП П для различных значений Н. Далее с использованием соответствующих значений КПП последовательно из уравнений (8), (9) и (10) были найдены повторяемости рабочих скоростей ветра для высоты 50, 100 и 150 м. В качестве примера на рис. 4, а, Ь графически представлены изменения повторяемости рабочих скоростей ветра соответственно на высотах 10 и 150 м - применительно к режиму распределения частот типа А, а на рис. 5, а, Ь - аналогичные изменения применительно к режиму распределения частот типа Б. Как следует из графиков, приведенных на рис. 4 и 5, для обоих режимов имеется возможность эффективного использования энергии ветра.
Нами были исследованы также характеристики продолжительности энергетических затиший. В отличие от ветровых затиший в данном случае предусматривается ветровое время, когда скорость ветра меняется от штиля до минимальной рабочей скорости Умин, когда ВД начинает работать.
Рис. 5. Графические зависимости повторяемостей рабочих скоростей ветра от мгновенных скоростей применительно к режиму распределения частот типа Б (Vh = 1-8 м/с):
a - для Н = 10 м; b - для Н = 150 м Fig. 5. Graphical dependence of repeated working speed of wind from momentary speed in respect to distribution regime of frequency types of Б: - for Н=10 m; (curves 1-8, correspondingly for V = 1-8 m/s ): a - for Н = 10 m; b - for Н = 150 m
Величины Умин для разных ВД разные, например, если для многолопастных тихоходных ВД Умин может быть 3 м/с и меньше, то для быстроходных она меняется от 4 (для трехлопастных) до 7 м/с (для одно-лопастных). В практике ветроэнергетики в подавляющем большинстве случаев за Умин принимается 4 м/с. Для Азербайджана продолжительность энергетического затишья, в промилле, определяется из следующих уравнений [7]: для зоны А
V„/ V
PA = 884
для зоны Б
j (v/v) в-0'53 (v/v) dv/v ; (12)
Умин/ У
РБ = 752 | (у/у)1/6е-^ (у/у)2 ёУ/У . (13)
0
Интегрируя уравнения (12) и (13) в интервале от Умин / У до У^ / У , можно определить общую продолжительность непрерывной работы ВД.
Для того, чтобы иметь более ясное представление о закономерности распределения безветрий по их
3
,¿AiLSLS
61
0
2
a
a
0
2
2
б
длительности на территории Азербайджана, были проведены ежедневные записи мгновенных изменений скоростей ветра по метеостанциям УГМС Азербайджана [15]. Исследования показали, что в Баку за последние 5 лет расхождение между результатами подсчетов составляет ~1%. Поэтому расчеты по уравнениям (12) и (13) вели по пятилетним рядам наблюдений, считая достоверность наших выводов вполне достаточной для практического ветроисполь-зования. При проведении расчетов для всех случаев за минимальную рабочую скорость ветра было принято Умин = 3 м/с. Расчеты проведены для шести метеостанций, входящих, соответственно, в зоны А (Маштаги и Сумгаит), Б (Гянджа и Саляны) и В (Шемаха и Закаталы). Станции выбраны с таким расчетом, чтобы охватить все зоны республики. При этом не были учтены сравнимые условия затененности и высоты флюгера для всех метеостанций республики, и в этом смысле они не обобщены, так как это требует очень трудоемкой работы. При дальнейших исследованиях нами поэтапно будет рассмотрено влияние условий затененности, а также других статических и метеорологических факторов на характеристики энергетических затиший и более точно будут обобщены данные метеостанций, входящих в каждую группу.
700
500
300
100
P,случай
1
12
0
2
6
10 V, м/с 14
Рис. 6. Графики распределения энергетических затиший ветра различной длительности для некоторых выборочных
метеостанций зоны А (1 - Маштаги; 2 - Сумгаит), Б (3 - Гянджа; 4 - Сальяны) и В (5 - Шемаха; 6 - Закаталы) Fig. 6. Graphical distribution of energy wind calm of the different duration for some selected meteostation of zones А (1 - Mashtagi; 2 - Sumgayit), Б (3 - Ganja; 4 - Salyan) and В (5 - Shemakhi; 6 - Zakatala)
На основе полученных из расчета данных были построены соответствующие графики распределения энергетических затиший ветра различной длительности для метеостанций, входящих в зоны А, Б и В, которые представлены на рис. 6. Из анализа представленных графиков видно, что на всех станциях чаще всего наблюдаются затишья продолжительностью 0,5 и менее суток. При этом на метеостанциях зоны А (кривые 1 и 2) кратковременные затишья (до
0,5 суток) составляют до 90% и выше (например, для ст. Маштаги 932 случая из возможных 1000 случаев). А затишья продолжительностью 1 сутки в этой зоне составляют от 4 до 18%, двое суток - от 1 до 3%, трое суток - менее 1%. На метеостанции Маштаги затишья продолжительностью 3 суток и выше за последние 5 лет наблюдения не встречались ни разу. В Прикуринской зоне (зоне Б) затишья продолжительностью менее суток наблюдаются реже, чем на Ап-шероне (зона А), и наоборот, в этой зоне значительно чаще наблюдаются ветроэнергетические затишья продолжительностью трое, четверо и более суток. А затишья продолжительностью свыше 7 суток на метеостанциях этой зоны встречаются редко. Продолжительность как кратковременных (до 0,5 суток), так и более длительных (более 10 суток) затиший может быть разная. Исходя из этого, они объединены в одну графу, и поэтому в обоих графиках метеостанций зоны В (Шемаха и Закаталы) количество случаев безветрия продолжительностью свыше 10 суток получено в несколько раз больше, чем безветрий продолжительностью до 10 суток. Кроме того, как видно из рис. 6, если для зоны с интенсивными скоростям ветра наблюдается закономерность (чем больше продолжительность затишья, тем меньше количество случаев), то для зоны В этого сказать нельзя, и на метеостанциях этой зоны характеристики энергетического затишья имеют очень сложный характер. Наблюдения показывают, что характеристики энергетического затишья метеостанций зоны В из года в год существенно меняются, что объясняется сложными рельефами этих регионов. Однако все эти факты отнюдь не означают, что в горных районах республики, особенно таких как Закатала, Габала, Огуз, Исмаиллы, Шемаха и т.д., со сложными рельефными характеристиками использование ветровой энергии нецелесообразно. Поскольку в этих регионах при определении длительности ветровых затиший были использованы данные метеорологических измерений, проводимых на высоте флюгера к = 10 м, установленного в большинстве случаев не на определенной высоте горных массивов, а в равнинной местности, то, естественно, при этом не были удовлетворены требования номенклатуры по условиям затененности и согласно классификации проф. Гриневича такие условия соответствуют 6-8 классу открытости флюгера. Поэтому данные метеостанций, установленных на равнинной местности горных районов, не могут быть действительными для всех примыкающих зон, особенно для разных уровней высоты гор и холмов, в том числе их вершин. Это ясно видно из рис. 2, согласно которому на вершине холмов высотой Н = 100 м, не затеняющихся высокими горами, УН = 5,945 м/с. Как было указано выше, такая скорость ветра вполне достаточна для нормального функционирования как тихоходных ВД с минимальной рабочей скоростью Умин = 2,5-3,0 м/с, так и быстроходных, с тремя лопастями, для которых Умин =
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (75) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
= 3,5-4,0 м/с, а также роторных ВД с вертикальной осью вращения [16], для чего следует подобрать наиболее надежные конструкции.
Таким образом, анализируя вышеизложенное, можно сделать следующие выводы.
1. На основе данных многолетних анемометриче-ских измерений, проводимых на 182 метеорологических станциях республики, составлена изодинамиче-ская карта Азербайджана и методом последовательного уточнения все метеостанции были окончательно объединены в три группы с достаточно однородными режимами повторяемости, которые были условно названы группами метеостанций с распределением частот типа А, Б и В соответственно (или же зонами А, Б и В). При этом в зону А вошли ветровые регионы со среднегодовыми скоростями ветра свыше 4 м/с, а в зоны Б и В, соответственно, регионы со среднегодовыми скоростями от 2 до 4 м/с и до 2 м/с.
2. Выявлено, что для ряда метеостанций, особенно относящихся к зонам Б и В, среднегодовые значения скоростей ветра, установленных на основе изо-динамы, являются значительно заниженными, что связано с относительно низким уровнем высоты (до 10 м) и высокой степенью затененности флюгера, соответствующего 5-8 классам открытости по классификации проф. Гриневича.
3. Изучена вертикальная экстраполяция ветра для 27 выборочных метеостанций республики, относящихся к зонам А, Б и В соответственно. Расчетным путем были определены среднегодовые значения скоростей ветра на различных высотах до 150 м, а также оптимальные высоты НОПТ установки ВК от поверхности земли, для чего применена степенная зависимость профиля скорости.
4. Установлено, что для горных районов республики среднегодовые значения скоростей ветра на разных высотах, найденные расчетным путем с применением степенного закона профиля скорости, оказываются значительно заниженными, поскольку в действительности на вершинах холмов и гор среднегодовые скорости ветра бывают на уровне от 30 до 70% от тех скоростей, которые наблюдаются на соответствующей высоте открытой местности с интенсивными ветрами. Определено, что для зоны В в горах с высотой вершины 2000 м в зависимости от изменения высоты от 100 до 2000 м среднегодовые скорости ветра меняются в пределах от 5,94 до 9,11 м/с, что дает возможность высокоэффективного сезонного использования энергии ветра с применением соответствующих типов и конструкций ВД.
5. Расчетным путем были определены порывные скорости ветра на высотах от 10 до 150 м для зон А, Б и В. Установлено, что в зонах В и Б порывные скорости ветра в зависимости от высоты меняются более резко, нежели в зоне А, если выбранный участок не затеняется высокими горными массивами.
6. Изучены характеристики изменения абсолютных суточных амплитуд скоростей ветра по месяцам для ряда выборочных метеостанций зон А, Б и В.
Выявлено, что в Джульфе (зона Б) абсолютные суточные амплитуды, приобретая противоположные знаки, меняются в весьма широких пределах, что соответствующим образом влияет на среднемесячные значения скоростей ветра.
7. Определены главные минимумы по среднемесячным скоростям ветра для всех выборочных метеостанций. Установлено, что в тех регионах, где главные минимумы наблюдаются в летние, а максимумы - в зимние периоды года, целесообразно применение ВД для отопления и горячего водоснабжения.
8. Были определены повторяемости скоростей ветра в промилле для распределения частот типа А и Б соответственно. При этом были учтены расчетные уравнения кривой распределения скоростей ветра для каждой зоны в отдельности. Показано, что для обоих режимов распределения частот имеется возможность эффективного использования энергии.
9. Определены продолжительности энергетических затиший в промилле с учетом соответствующих расчетных уравнений. При этом за минимальную рабочую скорость ветра принята Умин = 3 м/с. Установлено, что для метеостанции зоны А в основном характерны кратковременные затишья (0,5 и менее суток), а затишья продолжительностью более 3 суток составляют менее 1%. Показано, что для зоны В характеристики энергетического затишья имеют очень сложный характер, и из года в год они существенно меняются, что связывается со сложностью рельефа этих регионов.
10. Комплексный анализ полученных результатов показывает, что в ряде горных районов зоны Б и В вполне целесообразно сезонное использование энергии ветра, а также комбинированное использование энергии ветра совместно с солнечной энергией с применением фотоэлектрических источников тока или же плоских солнечных коллекторов.
Список литературы
1. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Денисенко О.Г. и др. Преобразование и использование ветровой энергии. Киев: Техника, 1992.
3. Твайдель Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. Пер. с англ., 1990.
4. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо / Пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук Я.И. Шефтера. М.: Энергоатомиздат, 1982.
5. Reed J.W. Wind power climatology of the US ERDA Contract AT (29-1)-789, SAND 74-0348, Albuquerque, NM, 1975.
6. Justus C.G., Mikhail A. Height variations of wind speed on wind distributions statistics // Geophy. Res. Letters. 1976. No. 3. P. 261-264.
7. Ализаде А.С., Есьман В.И. Ветроэнергетические ресурсы Азербайджана. Азернешр, 1966.
8. Cormier R.V. An annotated listing-toll towers instrumented for wind observations, Technical Report 73-
0179. Air Force Cambridge Research Laboratory, L.G.Hanscom Field, Bedford, M.A, 1973.
9. Мустафаев Р.И. Динамические режимы электромеханических преобразователей ветроэлектрических установок, работающих на электрическую сеть. Автореф. дисс. на соиск. учен. степени д-ра техн. наук. М.: МЭИ, 1990.
10. Гасанова Л.Г. Об одном способе моделирования основных характеристик скоростей ветра - энергоносителя ветроэлектрических установок // Научно-техн. журнал «Экоэнергетика». 2008. № 1. С. 34-37.
11. Энергия окружающей среды и строительное проектирование. Пер. с английского под ред. д-ра техн. наук В.Н. Боголовского. М.: Стройиздат, 1983.
12. А.с. СССР № 1666804. Ветроэнергетическая установка / Саламов О.М., Мамедов В.С., Надирзаде Р.С., Гасанова С.Г. // Бюлл. «ИО». 1991. № 41.
13. А.с. СССР № 1689665. Ветронасосная установка / Саламов О.М., Рзаев П.Ф., Мамедов В.С., Алекперов А.И. // Бюлл. «ИО». 1991. № 41.
14. А.с. СССР № 1063867. Устройство для управления работой электролизной установки / Бакиров М.Я., Саламов О.М., Рзаев П.Ф., Ахундов Ф.М. // Бюлл. «ИО». 1982. № 48.
15. Алиев Н., Юсифзаде Х., Шафиев Э. Особенности эксплуатации ветровых турбоэнергетических установок (ВТЭУ) в нефтегазовом секторе Азербайджана // Межд. научно-техн. журнал «Energy, ecology, economy». 2004. № 3. С. 8-28.
16. Патент Азербайджана № I 2008 0160 от 27.09.2008, МПК8 F03D 9/02. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения / Саламов О.М., Мамедов Ф.Ф., Мамедов Ф.А.
On О О
Сх} 1
С ^
QJ
а
<
о с
ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ
1 Российские и зарубежные газеты и куриалы
2 Книга и учебники
5
<
О
Ьч <
О С
ПРЕССА РОССИИ
1 ГАЗЕТЫ И ЖУРНАЛЫ
том
ПОДПИСКА - 2009 на июль-декабрь по Объединенному каталогу «Пресса России»
На почте с апреля 2009 г. проводится подписная кампания на
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»
по Объединенному каталогу Пресса России «ПОДПИСКА-2009, второе полугодие»
Условия оформления подписки (аннотация, индексы, стоимость) вы найдете в I томе каталога на странице 247
ТРЕБУЙТЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!
Контактный номер телефона специалиста по распространению (495) 661-20-30
64
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (75) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
= '
