Ветроэнергетический потенциал Приволжского федерального округа Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551.58

ТЖ. Аун—тев, Ю.П. Переведенцев Казанский(Приволжский) федерсепцный уневцрситет, еЛЬийаЦелирЬ^ЦИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИОЕСКИЙПОТЕНЦИАЛ ПРИО!(^Ле1С(^КО]иО

ФЕДЕОАЛЬНОГО ОКРУГА

Рассмотрен ветровой режим на территории Приволжского федерального округа (ПФО) с использованием временных рядов средних месячных значений скорости ветра на 183 метеорологических станциях в период 1966-0009 гг. (роа оценм ветроэнергеедченюгопотенциаио КОО с слое 10-150 м.

Ключевые слова: скорость ветра; изменчивость скорости ветра; коэффициент вариации; ветроэнергетический потенциал.

Введение

Ветер - это движение воздуха относительно земной поверхности, зависящее от циркуляции атмосферы и рельефа местности. Характер потеков во многом определяются баричеслимполем и его градиентами. Направленивисоонюпть вет°а, его знать при прогнозе погоды, оценле аевеио-са примесей, обеспечении чолемов авиации,при строительстве и для нужд ветроэнергетики. Характеристики ветра рассчитывакоаак длн иьбаль-ших высот, начиная с 10-12 м - высоты устанонеи флюгера в пределах приземногом потракюаиаго слоев атмосферы, так и для свободной ацмякфн-ры. Теория подобия и размерности, создя-н^ А.С. Мониным и А.М. Обуховым, позволяем рассчитывать скорости ветра в пределах гфозьмногм слоя. Современные гидродинамические модели, построенные для пограничного яцоя агмцсфеяы (ПСА) с учетом свойств подстилающей поверхности, термической стратификации, атмосф ероой турбулентности и барического поля, позволяют производить комплекс расчетов как тостпвмяю-щих ветра, так и характерсьтив таьбулендвосои для решения задач о рассеянии приме сейия.п. (Иванова и др., 1997).

В данной статье приводится описание ветрового режима обширной территории ПФО в период 1966-2009 гг. с использовагпем одиоеодного-измерительного материала, а также дается оценка ветроэнергетического потеициалаПФО.

Материалы и методы исследова ния

В качестве исходного материала использовались данные метеонаблюдений изфовда ВНИИГМИ-МЦД за скоростью ветра на 183 станциях ПФО в период 1966-2009 гг., цасивло-женных достаточно равномерно по ттрриттрти.

Рассчитывались многолетние средние месячные значения скоростей ветра, средние квадра-тические отклонения о, коэффициенты вариации

Сб, донффгщиснгы екклона линонпюго ^06) (ОНЛТ), кнэффицивнлы ноурендмии в полеве-

([зн енежргк цее[ии]эае( не?-! ]^^^6['С]^ол1>] о

ииомн рсталоныму ооашллеяло. Оцсннв рнлмлешН скоролтм вет(д ннзколили -немиль отсиеш> ншнН-онвогогти роомдвогд нижими ио нок^мссни.

Beлдоу(oаноуелни епедФeФC0ннпдН скруисти ветра сцониванвор -ед формуле ДТ) ~ !Ц — Ш г где V -средняя месденан рпо.лоть 1^ецр^одОТг кн(тннм меррун, Щ - ллимa(ическаянорма.

Для настета в )твюэнop(uт(чепквooпoпeнциала (МКГТ) (Ппoлoрвooтмcт (зо)одму фо^н-т омия-польека(, Пандику 1900; KoЛышeва[XaПлyлc[ш^1

втову

= л(усбСтР)^5+ но) (6еКс:^)> (1)

гoеN(^^и удельная мощность ветрового потела1 р у плккнопкь ооппмул, Р - сртдков cкo])юoть, Су - коэффициент вариации, А - коэффициент асимметрии.

Расчет скорости ветра для различных высот z, превышающих высод yеuаноoлу0)oкгеpa 1з, гшДо цзooнис(в ПФ бн(^пянно^ ф:о(бмг'лс:

(2)

ррв Р. н сутедник лиосовкк кетта л( воя-сотах z и h соответственно, т - безразмерный пвpомвиp] фuвивв(щп ои> сoодтвcрс ^и))ээ);влени)^о-сти, термической стратнфcкaIШУ и местрых 0)([u зико-географиче скихусловий.

В расчетах знaчeтмо т,с00лрсмв (ыоилов, 2012), принимаются равными: т=0.864ехр(-0.31 1=0 Для ореднегодовыс адoиапт)Ц влврт, дн ое^ риода сентябрь-май т=0.7ИРвхр(-0НвР-), и для верзада тюньoоеuyтн нкгоа налОолто ртзтота л)Hи векциявПСАт=0.911вхр(-0 Н5 —Д

Выполненные в данной работе расчеты представлены в виде многочисленных карт и таблиц.

1/2016

Естественно, что ограничительные рамки статьи не позволяют привести материал в полном объеме.

Результаты и их обсуждение

Распределение средних скоростей ветра по территории ПФО. Рассмотрим климатическое распределение скоростей ветра на территории ПФО. Результаты расчетов представлены в виде карт и таблиц. Следует отметить, что территория ПФО достаточно неоднородна в физико-географическом отношении, ее занимает ряд возвышенностей с долинами крупных рек, восток региона занят Уральским предгорьем. Три растительные зоны располагаются на территории региона -лесная, лесостепная и степная.

Основная часть территории ПФО располагается севернее ветрораздельной оси Воейкова, являющейся осью западного отрога азиатского антициклона, располагающейся на широте 50° с.ш., севернее этой оси преобладают циклонические, а южнее антициклонические процессы. Структура барического поля определяет годовой характер ветровых потоков. В январе к северу от ветрораз-дельной линии преобладают южные и юго-западные ветры, южнее преобладающими становятся восточные румбы. В июле распределение изобар обратно зимнему, что приводит к перестройке поля скоростей (Кобышева, 2001).

Согласно данным рисунка 1, средние месячные скорости ветра на высоте 10-12 м от поверхности земли характеризуются наименьшими значениями в летний период (1.3-4.1 м/с) и большими - чаще в зимний (до 5.1-5.6 м/с), что обусловлено увеличением градиентов давления от лета к зиме. Пространственное распределение скоростей ветра неоднородно - наибольшие значения отмечаются в центральной части региона -

Саранск, Чебоксары, Казань, Бугульма, Ижевск, а также на юго-востоке Оренбургской области. Максимум среднеянварской скорости («7 м/с) отмечен на ст. Арзамас (Нижегородская обл.), на севере ПФО в лесной зоне средние скорости порядка 3 м/с, на востоке в пределах Башкортостана (Предуралье) скорости понижаются до 2 м/с и заметно усиливаются к границе с Казахстаном (до 4.5 м/с).

Пространственная картина распределения средних скоростей достаточно пестра (мозаична), что определяется характером циркуляции атмосферы и рельефом местности. В июле на большинстве станций скорости на 0.9-1.3 м/с ниже, чем в январе, что обуславливает годовой ход. Следует отметить, что в летний период в южной части округа в послеполуденные часы развивается интенсивная конвекция, способствующая усилению ветра у земли.

В течение года местоположение очагов повышенных и пониженных значений скоростей сохраняется. На многолетней карте средней годовой скорости ветра выделяются ст. Бугульма (4.4 м/с) с максимальным значением и ст. Тукан с минимальным значением (1.3 м/с). Отметим, что ст. Бугульма расположена на Бугульминско-Беле-беевской возвышенности.

Средние месячные максимальные скорости ветра примерно на 2-3 м/с больше средних скоростей. Так, на ст. Бугульма среднеянварское значение максимальной скорости достигает 8.5 м/с, в июле происходит ее понижение до 6.4 м/с. Годовой ход - 2.1 м/с. В отдельные годы наибольшие средние месячные максимальные скорости ветра зимой могут достигать 13-15 м/с.

При этом наибольшие скорости обычно характерны для преобладающих направлений: зимой

Рис. 1. Средняя многолетняя скорость ветра (м/с) на уровне флюгера: слева - январь; справа - июль

4

российский журнал приютной экологии

они отмечаются при южных и юго-западных ветрах, а летом при северо-западных и северных.

Полученное климатическое распределение ветра формируется под влиянием структуры барического поля (его градиентов), циркуляции атмосферы, рельефа и местных особенностей. В целом, проявляется широтная зональность за исключением восточных районов, где проявляется существенное влияние рельефа местности.

Изменчивость скорости ветра. Для характеристики временной изменчивости скорости ветра рассчитывался ряд параметров, рассмотрено их пространственно-временное распределение. Величина среднего квадратического отклонения (СКО) о характеризует межгодовую изменчивость скоростей ветра. Анализ построенных карт показал, что величина о меняется в годовом ходе от минимальных значений летом 0.3-0.9 м/с до максимальных зимой, достигающих 0.6-1.7 м/с. СКО средних максимальных скоростей больше на 0.3-0.8 м/с. Естественно, что карты распределения СКО по внешнему виду соответствуют картам средних месячных значений скоростей: большим значениям скорости ветра соответствуют и области повышенных значений СКО. В январе значения о возрастают с севера к центру от 0.7 до 0.9-1.2 м/с. На юге и юго-востоке региона также отмечается усиление межгодовой изменчивости скорости ветра (о достигает 1.2 м/с). В июле значения СКО средней месячной скорости ветра возрастают от 0.4 м/с (северо-восток) доО.6 м/с I! центре и на юге ПФО. СКО испытывает годовой ход.

Для удобства производства ветроэнергетических расчетов и оценки характеристик относительной устойчивости ветровогооежимапс территории ПФО рассчитывалась величина коэффициента вариации Ск = - (%) для каждой из станций и всех месяцев года. В январе Су меняется в пределах 20-35%, наиболее устойчивая ситуация на севере и северо-востоке (20%), на юго-востоке Су достигает 40%, в оп^леоначе-ния Су несколько снижаются и становятся менее однородными по территории (от 15 до 30%), в июле Су меняется в пределах 15-30% (карта мозаичная), в октябре происходит рост Су (диапазон изменений 20-40%). Неоднородное поле величины Су показывает, что при небольших значениях скорости ветра возникает заметная неустойчивость ветрового режима (с увеличением средней скорости устойчивость растет, величина Су уменьшается).

Для выявления тенденции изменешта соярости ветра во времени для каждой станции рассчитывались коэффициенты наклона линейного тревда

((м/с)/10лет). Результаты расчетов картированы, анализ карт показывает, что для всей территории ПФО знак КНЛТ отрицательный, что свидетельствует о повсеместном ослаблении скорости ветра. В январе значения КНЛТ меняются в пределах от - 0.2 (м/с)/(10 лет) на севере округа до - 0.6 (м/с)/(10 лет) на юге. Аналогичная картина складывается и в другие месяцы года, картина в пространстве также неоднородная. Факт ослабления скоростей ветра на Европейской территории России в последние десятилетия отмечался также в работах (Кобышева, 2001; Оценочный доклад ..., 2008).

Оценка ветроэнергетического потенциала ПФО.Вопросам оценки климатических ветро-энергоресурсов в различных странах мира уделяется достаточно большое внимание, особенно в странах Западной Европы, США, Японии. В России разработана энергетическая стратегия развития страны до 2030 г., где также уделено внимание развитию ветроэнергетики.

Преимуществом ветровых электростанций (ВЭС) над традиционными источниками энергии является быстрый ввод мощностей, возможность наращивания ВЭС по модульной схеме, значительная экономическая эффективность. Установленная мощность ВЭС в мире возросла с 6.2 МВт в 1996 г. до 94.3 МВт в 2007 г. За последние 25 лет основные стоимостные показатели ВЭС существенно снизились и составляют в настоящее время 4.5 евроцента на 1 кВт (Иванова, Смирнов, И009О.

Согласно (Кобышева, Хайруллин, 2005), энер-гетичесоие ветоовые юны, ич. оПласти, где оо-пользование ВЭС явно целесообразно, распола-гаютсятакжеы иайонах арктического побережья и Дальнего Востока, Нижней и Средней Волги, Каспийского моря и др.

Природный ветроэнергетический потенциал -это среднее многолетнее значение ветровой энер-гвн движениявозоошные масс тадеанной оеоси~ торией. Валовой потенциал ветроэнергетических ресуосов рассоитыоавтчя твгмощоосствесчяоо-го потока без учета свойств и возможностей ветродвигателей по формуле:

N =~РУ35

(3)

где N - общая мощность суммарного (полного) ветрового потока; р - плотность воздуха; у -скорость ветра; S - площадь, перпендикулярная ветровому потоку.

Из экономических соображений развивать ветроэнергетику целесообразно только в тех рай-стах, где сседооя пковнстг ветра состтнляевне

1/2016

Рис. 2. Удельная мощность ветрового потока (Вт/м2) на высоте 100 м: слева - январь; справа - июль

менее 3-5 м/с. При скорости ветра более 7 м/с становится целесообразной установка ветроэнергетических установок (ВЭУ) большой мощности.

Благоприятными условиями для выбора площадки для строительства ВЭУ являются: высокий ветроэнергетический потенциал (средняя скорость ветра более 5 м/с, относительно большая продолжительность периода рабочих скоростей от 9 до 25 м/с, повторяемость энергетических затиший (менее 3 м/с) 20-30%, небольшие значения коэффициентов вариации (желательно менее 0.3), отсутствие или малая повторяемость «буревых» (более 20 м/с) и «ураганных» (более 33 м/с) скоростей ветра (Кобышева, Хайруллин, 2005).

С использованием формулы (1) для территории ПФО были произведены расчеты ветроэнергетических ресурсов на уровне флюгера (10 м) и на высотах 50, 100 и 150 м, для которых скорости ветра предварительно рассчитывались по степенному закону (формула (2)). Отдельные результаты расчетов представлены на рисунке 2. Как видно, наиболее благоприятные условия для развития ветроэнергетики формируются в центральной части ПФО и на юго-востоке региона. С ростом высоты происходит заметное усиление скорости ветра (скорость ветра на высоте 100 м в 1.5-1.7 раз превышает ее значение на высоте 10 м) и, следовательно, энергетической мощности ветрового потока, поскольку в расчетах используется куб скорости. Согласно данным рисунка 2, значения ветроэнергетического потенциала по территории округа изменяются в пределах 10-130 Вт/м2, максимальные значения отмечаются в центральной части и юго-востоке округа.

Отметим, что результаты расчетов по Республике Татарстан согласуются с данными ранее опубликованных работ (Абдрахманов, Переведенцев, 1993; 1994).

Выводы

1. Средние многолетние скорости ветра возрастают на территории ПФО с севера (от 2 м/с) на юг (до 4 м/с), максимальные значения отмечаются в центральной полосе. В южной части округа ветер сильнее, чем в северной. В западной части потоки более интенсивны, чем в восточной, где заметная роль принадлежит Уральскому предгорью. Наблюдается хорошо выраженный годовой ход в скорости ветра, СКО, размахе Утах-Утт.

2. Тренд-анализ выявил временную тенденцию ослабления скорости ветра на всей территории округа со скоростью в широтном диапазоне значений в зависимости от местоположения станции и месяца года - 0.2-0.5 (м/с)/(10 лет).

3. Построены карты распределения средних месячных скоростей ветра на уровнях 50, 100 и 150 м. Определены вертикальные градиенты СМСВ. Скорость ветра на высоте 100 м в 1.5-1.7 раз выше, чем на уровне 10 м.

4. Ветроэнергетический потенциал округа варьирует согласно величине удельной мощности на уровне 10 м в пределах 10-130 Вт/м2 и полностью определяется картиной ветров. ВЭП значительно возрастает с высотой.

Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №15-05-06349).

6

российский журил прими) и!

Список литературы

1. Абдрахманов Р.С., Переведенцев Ю.П. Об эффективности использования ветроэнергетических ресурсов для выработки электроэнергии // Метеорология и гидрология. 1994. №12.С. 92-97.

2. Абдрахманов Р.С., Переведенцев Ю.П. О возможности использования возобновляемых источников энергии в условиях Среднего Поволжья // Метеорология и гидрология. 1993. №5. С. 91-98.

3. Анапольская Л.Е., Гандин Л.С. Ветроэнергетические ресурсы и методы их оценки // Метеорология и гидрология. 1978. №7. С.11-17.

4. Иванова Л.А., Надежина Е.Д., Стернзат А.В., Шкляре-вич О.Б. Использование модели атмосферного пограничного слоя для расчета ветровых характеристик и оценки ветровых ресурсов// Метеорология и гидрология. 1997. №6. С. 43-50.

5. Иванова Е.В., Смирнов Д.В. Методы оценки потенциала ветроэнергетических ресурсов РФ // Труды ГГО. 2009. Вып. 559. С. 113-120.

6. Климат России / Под ред. Н.В. Кобышевой. СПб.: Гид-рометеоиздат, 2001. 655 с.

7. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 1. Изменения климата. М., 2008. 227 с.

8. Рыхлов А.Б. Разработка методов климатологической оценки ветроэнергетического потенциала на различных высотах (на примере юго-востока европейской части России). Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 2012. 131 с.

9. Энциклопедия климатических ресурсов Российской Федерации / Под ред. Н.В. Кобышевой, К.Ш. Хайруллина. СПб.: Гидрометеоиздат, 2005. 319 с.

T.R. Aukhadeev, Yu.P. Perevedentsev. Wind energy potential of the Volga Federal District.

The wind regime in the territory of the Volga Federal District using time series of average monthly values of wind speed at 183 meteorological stationsis considered. The estimation of the wind energy potential in the layer of 10-150 meters is given.

Keywords: wind speed; variability of wind speed; the coefficient of variation; wind energy potential.

1/2018

7