О возможностях расширения фактологической базы для оценки ресурсов солнечной и ветровой энергии

Внедрение систем возобновляемой энергетики предполагает решение как чисто технологических и технических проблем, так и фундаментальных научных проблем. К таковым относится, в частности, создание адекватных методов расчета доступных для эффективного энергетического использования потоков ветровой и солнечной энергии. Исследования в этом направлении в течение длительного времени основывались в основном на данных наземных метеорологических станций. Однако имеющаяся сеть метеорологических станций часто недостаточна и не позволяет с высокой достоверностью определять параметры ветрового потока в заданной географической точке, особенно на высотах более 10 м, характерных для современных ветроустановок единичной мощностью до нескольких МВт с ветроколесом, размещаемым на высоте 50-100 м.

Другой проблемой являются большие погрешности существующих методов оценок энергетических характеристик ветра на основе расчетов средних скоростей ветра и аппроксимации реально полученных из метеоданных гистограмм повторяемости ветра одно- и двухпараметриче- скими функциональными зависимостями. Выявленные недостатки способов расчета и исходных данных определяют необходимость усовершенствования традиционных методов расчетов энергии воздушной струи и эффективности ветроэлектростанций.

В последние годы за рубежом утвердилась практика проведения одно- двухгодичных монито- рингов скоростей ветра на различных высотах на площадках предполагаемого строительства ветровых станций. Это дает с одной стороны, гораздо более обширный набор данных о параметрах ветрового потока, но, с другой стороны, вызывает сомнение правомерность использования столь небольшого по временному охвату периода измерений для обоснованных расчетов выработки энергии. Еще один метод получения массива исходных метеорологических данных — использование современных баз данных, полученных на основе спутниковых наблюдений и математического моделирования, например, базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE). Этот массив информации преодолевает недостатки вышеперечисленных источников, поскольку он основан на длительном периоде наблюдений (1983-2005 гг.); кроме того, появляется возможность решить проблему недостатка метеорологических станций, их удаленности друг от друга, т.к. эта база данных предоставляют информацию с пространственным разрешением (1 о х 1 о) и доступна через сеть Интернет.

Ранее проводились исследования возможностей использования этой базы данных для анализа и картографирования потенциала солнечной энергии на территории России. При этом направленность работы определялась практическими потребностями, возникающими при разработке установок солнечной энергетики (солнечных водонагревательных установок, фотоэлектро-преобразователей), а также нуждами потребителей солнечной энергии: необходимо было найти фактическую основу для оценок как самой возможности использования солнечных энергоустановок, так и их основных технических параметров в конкретной географической точке — часто вдали от метеостанций, ведущих актинометрические измерения. В связи с этим проводилась подробная верификация данных NASA SSE путем сравнения характеристик солнечной радиации для конкретной точки, представленных в базе NASA и в климатических справочниках. Было показано, что при сравнении с более чем 50 актинометрическими станциями в различных регионах России (с широтным расположением от 42 до 70 о с.ш.) отклонение данных NASA от наземных измерений не превышает 10-15 % в теплые полгода и 30 % в холодные, что вполне удовлетворительно для проведения гелиотехнических предпроектных расчетов.

Поскольку для установок с концентраторами солнечной энергии принципиальным является предварительная оценка не только суммарной солнечной радиации, но и прямой радиации на нормальную к лучу поверхность, в дальнейшем проводилось сравнение наземных и «спутниковых» данных и по этому параметру. Как из сравнения распределения месячных значений солнечной радиации, так и из результатов статистической обработки было получено, что данные NASA по суммарной солнечной радиации гораздо более точно совпадают с результатами наземных измерений, чем данные по прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность. Это позволяет обоснованно использовать первые для картографирования ресурсов солнечной энергии и проводить оценки потенциалов. Что касается данных по прямой солнечной радиации, следует в дальнейшем определить причину расхождения базы NASA с наземными измерениями и определить границы допустимости использования соответствующих результатов. Обосновав возможность использования массивов данных NASA для расчетов потенциалов солнечной энергии, нами (совместный проект МГУ им.М.В.Ломоносова и ОИВТ РАН) были проведены выборки данных для территории России и построен широкий набор карт, отражающий многолетние средние значения падающей суммарной солнечной радиации на горизонтальную и вертикальную поверхность, поверхности, ориентированные под различными углами к горизонту, оптимальный угол для различных периодов осреднения (год, летние месяцы, теплые полгода и др.). Выбор шага изолиний сумм солнечной радиации на картах был принят равным 0,5 кВтч/м2день и обусловлен средней величиной отклонений данных NASA от соответствующих наземных измерений. Выполнено также картографирование прямой солнечной радиации на нормальную к лучу поверхность и распределения средних скоростей ветра на высоте 50 м.

Подобно тому, как проводилась верификация данных NASA по падающей солнечной радиации, нами сделано сравнение и с наземными метеорологическими измерениями скоростей ветра на высоте флюгера (по данным метеостанций ЮФО). Обнаружено, что в ряде случаев наземные данные и результаты спутниковых измерений с последующим математическим моделированием совпадают достаточно удовлетворительно (Таганрог, Астрахань, Волгоград, Сочи, Майкоп). Для других метеостанций (Ставрополь, Ростов-на-Дону, Черкесск) имеет место значительные расхождения, причем не только в абсолютных значениях скоростей ветра, но и в сезонном ходе. Причиной таковых расхождений могут являться недостатки математического моделирования при разработке базы данных NASA, в частности, неадекватность учета типа подстилающей поверхности. Так, анализ распределения скорости ветра по высоте, предлагаемого базой данных NASA, показал, что авторы используют для аппроксимации высотной зависимости степенную функцию и при этом полагают постоянным в течение года показатель степени m, что не является правомерным. Возможно, отклонения от наземных измерений скорости ветра, связаны частично и с этой особенностью расчетов NASA. В тоже время первичная статистическая обработка исходного массива данных дает достаточно оснований для использования его для оценки ветровой обстановки над территорией. То есть для интегральных оценок использование базы данных NASA, по-видимому, является оправданным. Однако, при «точечных» расчетах, т.е. обоснованиях локального ветропотенциала необходимо использовать наземные измерения — многолетние метеоданные или результаты специально проводимого ветромониторинга.

В данной работе на основе данных базы NASA SSE были построены карты средних скоростей ветра на высоте 50 м по территории России, а также скоростей ветра на тех же высотах для Южного Федерального округа. Средние скорости, однако, недостаточны для реальных оценок природного, и, тем более технического потенциала ветровой энергии территорий, которые определяются мощностью ветрового потока и средней выработкой энергии заданным типом ветроагрегата. При определении этих характеристик наиболее значимой является функция повторяемости скорости ветра в заданной точке территории. Поскольку в базе NASA представлены данные по повторяемости, можно перейти к оценке валового потенциала территории, понимая под таковым энергию воздушной струи единичной площади на заданной высоте, а также к оценке элементов технического потенциала, требующих учета характеристик современных типовых ветроэнергоу- становок. В данной работе в качестве основной величины, определяющей характеристики технического потенциала была рассмотрена выработка энергии единичным ветряком заданного типа с оголовком турбины, расположенным на высоте 50 м. (для этой высоты в настоящее время имеются данные по повторяемости скоростей ветра в базе NASA).

Дата публикации: 05.03.2012

Похожие записи:

• Фундаментальные исследования возобновляемых источников энергии в московском университете
• Моделирование и оценка гидроэнергетических, ветроэнергетических и биоэнергетических ресурсов региона
• Контроль выхода по току на современных электролизерах
• Исследование тепловых процессов при гранулировании алюминиевых сплавов
• Математическое моделирование теплогидравлических режимов работы водяных систем отопления зданий
• Эксергетическии анализ систем комбинированного теплоснабжения с термотрансформаторами на низкокипящих веществах и новыми циклами