Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Климатические параметры ветра для задач ветроэнергетики

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Климатические параметры ветра для задач ветроэнергетики"

Г П ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГЛАВНАЯ ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ ИМ. А.И.ВОЕЙКОВА

На правах рукописи ДРОБЬШЕВ Анатолий Данилович

КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПАРАЖТРЫ ВЕТРА ДЯЯ ЗАДАЧ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена в Сибирском региональной научно-исследовательском гидрометеорологическом институте и в Пермском государственном университете

О&адааяыяю оппоненты:

Доктор фи8.-мат. наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор Доктор географических наук Доктор географических наук

Л.Т.Иахвеев А. И. Воскресенский М.Ы.Борксенко

Ведущая организация - Всероссийский научно-

исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (НИЭСХ РАСХН)

Защита состоится ":?/" ЯксаУЯ 1996 г. в Ю час

на заседании диссертационного Совета Д.024.06.01 при Главной

геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова по адресу: 194018, Санкт-Петербург, ул.Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова

Автореферат разослан " 14' "уС1£(1,срЯ-УдЪЬ г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор географических

наук, профессор [¿вДьи^^ Н.В.Кобмаазй

- I -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛЕОП1

Акту эта ностъ. Приземный слой атмосферы, представляющий собой

основную среду обитания живой природы, является важным объектом географических исследований. Именно з нем происходит взаимодействие всех звеньев климатической системы и образование сложных физических процессов, влияющих на погоду и климат.

К одним из наиболее интересных атмосферных процессов как для науки, так и для практики относятся Формирование и пространственно-временная изменчивость воздушного потока. Являясь результатом проявления основных климатообразующих факторов, ветер сам вносит су-ссстоенный вклад в их режим путем турбулентных и адвективных переносов тепла, влаги и количества движения. Не менее важна роль ветра и при воздействии атмосферы на природные и хозяйственные объекты. Общеизвестно его влияние на прочность и долговечность строительных конструкций, работу авиации, флота, железнодорожного и автомобильного транспорта, на скопление и рассеивание атмосферных примесей, на теплорегуляцию живых организмов и т.д.

Обладая огромной кинетической энергией, воздушные потоки таят в себе неисчерпаемые, экологически чистые энергетические ресурсы. Однако их использование - сложная, многоплановая проблема, требующая комплексного подхода к решению целого ряда задач в области метеорологии, климатологии, техники, экономики, экологии и других наук. Тем не менее быстрое истощение запасов топлива, постоянное возрастание цен на них, увеличение потребления энергии, глобальное загрязнение окружающей среды требуют привлечения дополнительных (альтернативных) энергоресурсов, в том числе и ветровых. Поэтому исследование процессов формирования климатического режима ветра для учета их результатов при решении прикладных задач я, в первую очередь, для обоснования развития ветроэнергетики является одним из актуальных и перспективных направлений научной деятельности.

Зарубежный опыт оценки и освоения ветроэнергетических ресурсов (БЭР) свидетельствует, что при эффективном учете ветровых условий, использовании современных конструкций ветротехники и при поддержка со стороны правительства ветроэнергетика способна удовлетворять потребности в снабжении сравнительно недорогой энергией многих автономии: объектов и даке "подпитывать" обгцую энергосистему. К сохсаленкю, в кашей стране с отроящии запасам ВЗР и обширной сферой их возможного применения ветроэнергопотенвдал атмосферы практически не осваи-

- г -

вается. Энергоснабжение даже северных районов, где большая часть территории не имеет доступа к централизованной энергосистеме, осуществляется в результате сжигания дизельного топлива. Между тем остроту проблем, связанных с ежегодным завозом туда топлива, можно было бы частично снять за счет использования ветровой энергии.

Неудовлетворительное состояние отечественной ветроэнергетики объясняется целом рядом причин, среди которых немаловажное значение имеет слабая изученность закономерностей формирования ветрового режима и ветроэнергопотенциала атмосферы северных и восточных регионов страны. Это не позволяет эффективно проектировать и размещать ветроэнергетические установки (ВЗУ) и станции (ВЭС), а также объективно оценивать их эксплуатационные возможности.

Цель работа заключается в создании статистической модели распределения ветра в приземном 100-метровом слое атмосферы, выявлении закономерностей формирования его режима и энергетических ресурсов, решении задачи климатического обоснования развития ветроэнергетики и оценки ее возможного вклада в энергообеспечение, ресурсосбережение и экологию азиатской части России.

Задачами »есда-оззния в' соответствии с поставленной целью являются:

- оценить (при необходимости устранить) влияние на ряды приземного ветра и результаты их обработки смены приборов и изменения дискретности измерений, обосновать оптимальный период наблюдений для расчетов;

- осуществить выбор статистических моделей для проведения климатической обработки ветровых рядов по полной и ограниченной информации;

- разработать методы пространственного восстановления параметров ветрового режима;

- создать ветроэнергетический кадастр территории, разработать способы его ведения и использования;

- выявить закономерности пространственно-временной изменчивости режима ветра и ВЭР, дать их физико-географический анализ;

- разработать научно-обоснованные принципы оптимизации выбора, размещения и эффективной эксплуатации ВЭУ и ВЭС.

Научная ипхагана работа. Совокупность теоретических, экспериментальных исследований ветрового режима и ветроэнергопотенциала, выполненных лично автором, открыли новые пути в климатическом обеспечении ветроэнергетики и других отраслей народного хозяйства Урала, Сибири и Дальнего Востока. В результате их впервые:

1. Разработаны способы устранения внутрирядной неоднородности, позволяющие использовать для расчетов длительные периоды наблюдений за ветром.

2. Установлена зависимость параметров ветра от дискретности и масштаба осреднения нсмерений,' па которой основана методика уточнения расчетных шксиыумов и расчетных порывов ветра по данным обычных сетевых наблюдений.

3. Разработана система количественной типизации местоположения пунктов по влиянию его на статистические параметры ветра.

4. Выявлен вклад местных условий юго-востока Западной Сибири (каждого в отдельности и всех вместе) в формирование общих дисперсий средней скорости (V) и коэффициента вариации (Cv).

Б. Созданы и реализованы на персональном компьютере методы горизонтального восстановления V и Cv с учетом местных условий.

6. Выявлены особенности вертикальных профилей V и Cv в нижнем 100-метровом слое атмосферы и предложены способы их расчета.

7. Разработаны методы определения утилизируемых BSP и характеристик непрерывной длительности ветра.

8. Рассчитаны элементы ветроэнергетического кадастра (ВЭК) по 344 метеостанциям Урала, Сибири, Дальнего Востока и построены фоновые карты-схемы основных климатических показателей ветра для высот 10, 40 и 100 метроз над земяой.

9. Выполнено районирование территории для целей ветроэнергетики.

10.Разработаны принципы организации, проведения и обработки микроклиматических наблюдений для оценки ВЭР, оптимального

размещена1! ВЗУ, определения их возможной производительности (на примере проектирования ВЗС на ¡Окном Урале).

11.Доказаны преимущества созданного автоматизированного ВЭК, позволяющего производить сценки ВЭР над любым пунктом по информации о его местоположении.

12. Установлены связи между значениями u0.i>p,um ветроагрегата и

ветровыми условиями местности для выбора оптимальной стратегии утилизации ВЭР.

13. Оценен возможный вклад суммарных по площади запасов ВЭР (потенциальных, технически-возможных, реальных) в энергообеспечение восточных административных областей и краев.

14.Дано климатическое обоснование проектирования и строительства первоочередных 5 крупных ВЭС для-параллельной работы с энергосистемами.

Оснавние полепивши, вмиосишю на защиту:

- способы восстановления и расчета климатических характеристик скорости ветра и ветроэнергоресурсов;

- закономерности пространственно-временного режима ветра и его энергопотенциала в приземном слое атмосферы;

- климатическое обоснование развития ветроэнергетики и оценка возможного вклада ее в энергообеспечение, ресурсосбережение и экологию восточных регионов страны.

Практическое значение и внедрение результата работ. Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты включены в нормативные документы:

- "Рекомендации по определению климатических характеристик

ветроэнергетических ресурсов" (глава 6).-Л.:Гидрометеоиз-дат.-1989.- 80 е.;

- "Руководящий документ. Методические указания. Проведение

изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ВЭУ". РД 52.04.275-89 (главы 5-7).-Л. :Гидрометеоиздат.-1991.-57 с. В процессе исследования выполнены две хоздоговорные работы : с Башкирским филиалом НПО"Ветроэн" (1989-1991 гг.) по обоснованию строительства двух ВЭС на Южном Урале и с Пермской Облкомприродой (1994-1995 гг.) по оценке ветровых ресурсов и их возможного вклада в экологию области. Кроме этого практическое применение результатов работы, подтвержденное соответствующими актами (заключениями) о внедрении, осуществлялось:

- в Новосибирском объединении Агропромэнерго при размещении и выборе ВЭУ для целей сельского хозяйства области (акт от

20-23.06.1992 г.);

- в Самарском филиале Гадролроекта им. С.Я.Нука Министерства энергетики при использовании ветрового кадастра для обоснования строительства крупных ВЗС (акт от 10.04-15.05.1992 г.);

- в ЗапСибУГКС Госкомгидромета при использования метопа горизонтального восстановления климатических параметров ветра для гидрометобеспечения потребителей (акт от 19.06.1982 г.);

- в фирме "Ингир" (г.Москва) для разработки комплекса программ, обеспечивающего климатическое и техническое обоснование использования ветротехники в сельском хозяйстве страны (акт от 10.05-24.05.1002 г.);

- в НПО "Ветроэн" Минводхоза СССР (г.Истра, Московская обл.) при использовании расчетных и методических материалов для разработки "Схемы размещения ВЭУ в народном хозяйстве до 2005 г." (акт от 28.08.1988 г.);

- в ЗапСибгипроводхозе (г.Новосибирск) при использовании "Результатов оценки ВЭР южной части Новосибирской области" для разработки варианта пастбищного водоснабжения (заключение от 21.03.1987 Г.);

- в Новосибирском институте водного транспорта для обоснования корм Речного Регистра РСФСР (справка от 16.11.1984 г.);

- в ГГО км. А.И.Воейкова при подготовке методических матерка-лов для НПО "Ветроэн", полученных в результате выполнения темы НИР к ОКР Госкомгидромета II).16.02 (1982-1985 гг.) (заключение ОТ 29.12.1986 Г.);

- в ГГО им. А.И.Воейкова при завершении темы НИР и ОКР Госкомгидромета II 1.16.03. (1981-1384 гг.) и подготовке проекта "Инструкции по определению расчетных климатических характеристик для строительного проектирования" (заклвчеикг от 23.12.1984 г.),

- в ГГО им. А.И.Воейкова при использовании результатов по теме НИР и ОКР Госкомгидромета III.19.57 (1978-1980 гг.), для подготовки проекта "Руководство по опоеделению ветровых нагрузок

на сооружена;:" и кзотк-схемы районирования СССР по ветрозог» нагрузке .(заключение от 22.09.1983 г.).

Дпзобсжгя РсЗоги :•; иуддюасззтк. Содержание диссертации страшено в опубликованных автором 57 научных работах, в том числе в несколь-

ких параграфах коллективной монографии "Опасные явления погоды на территории Сибири и Урала", ч.1-5, "Руководящего документа. РД 52 04.275-89", "Рекомендаций по определению климатических характеристик ВЭР" и в других документах, используемых в НИУ Госкомгидро-мета, а также проектными и научно-исследовательскими организациями других ведомств.

Основные положения работы регулярно докладывались на Ученом Совете ЗапСибНИГМИ (1975-1991,1995 гг.), на Ученом Совете географического факультета Пермского госуниверситета (1994 г.), на втором международном симпозиуме "Новые достижения строительной климатологии" (1987 г.), на международных научно-практических конференциях (Пермь, 1993 г., Пермь,1995 г., Казань, 1994 г.), на всесоюзных совещаниях ("Вопросы статистической обработки гидрометинформации", Ташкент, 1975 г., "Гидрометеорологическое обеспечение народного хозяйства Сибири", Новосибирск, 1979,1983 гг., Красноярск, 1989 г., "Гидрометеорология и энергетика", Москва, ВДНХ, 1983 г., "Влияние климатических факторов на воздушные линиь электропередачи", Москва, ВДНХ, 1983 г., "Изучение природных условий низовьев и устьев рек арктической ¡юны", Ленинград, 1985 г., "Изучение гидрометеорологического режима шельфовой зоны морей", Москва, ВДНХ, 1986 г., "Совершенствование обеспечения отраслей народного хозяйства климатической информацией", Москва, ВДНХ, 1986 г., "Полярная метеорология на службе народного хозяйства", Мурманск, 1987 г., "Гидрометеорологическое обеспечение агропромышленного комплекса страны", Целиноград, 1988 г., "Состояние и перспективы развития прикладной климатологии", Ленинград, 1988 г.), на заседаниях всесоюзной Ассоциации по ветроэнергетике "Энергобаланс" (Пярну, 1986 г., Дагомыс, 1989 г.), на региональных научных конференциях ("Гидрометеорологическое обеспечение штабов ГО СибВО", Новосибирск, 1979 г., "Малая энергетика Западной Сибири и Алтайского края", Новосибирск, 1991 г.).

Диссертация обсуждалась на кафедре метеорологии и климатологии Казанского госуниверситета (1994 г.), на расширенном заседании кафедры метеорологии Пермского госуниверситета (1995 г.), на семинаре ОПК ГГО им. А.И.Воейкова (1995 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 393 наименований и приложения. Пбший объем работы составляет 378 страниц, в том числе 250

страниц текста, 89 таблиц (из них 44-в тексте, 10 - в приложении), 23 рисунка, 33 страницы списка литературы, 33 страницы приложения.

ОСНОВНЬЕ НОШЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Во введб!Е21 основное внимание уделено состоянию проблемы и обоснованию ее актуальности. Сформулированы цель и задачи исследования, оценены научная новизна подученных результатов, их практическая значимость. Обозначены основные положения диссертации, выносимые на зачету.

В первой глаза дата краткая характеристика основных факторов, определяющих ветровой режим, рассмотрены особенности ветровых наблюдений и рекомендуются способы первичной обработки рядов.

Исследуемая территория по своему физико-географическому положению и природным условиям отличается исключительным разнообразием. Она включает в себя крупнейшую в мире Западно-Сибирскую равнину и высочайшие горы Алтая и Саян, труднопроходимые заросли лесов южной части Дальнего Востока и почти полное отсутствие растительности в арктической пустыне, одни из самых больших рек, озер земного кара (реки: Обь, Енисей, лева, Амур, оз.Райкзл и др.) и безводные пространства юга Западной Сибири, огромны* масштабы территории (она занимает почти одну треть азиатского мг.терика) и значительная неоднородность подстилающей поверхности способствуют формированию над ней разнообразного режима атмосфепной циркуляции. Большую часть года ее вкутриконтинентальные районы находятся под влиянием азиатского антициклона, а побережье и острова арктических и дальневосточных морей отличаются оживленной циклонической деятельностью. В связи с этим зимой в Западной Сибири и севернее ветропаздельной оси Воейкова преобладают слабые и умеренные ветры ютшх и юго-западных румбов, а южнее оси - ветры западных и северных направлений. На островах и побережьях дальневосточных морей северные и западные ветры преобладают и усиливаются за счет муссонной циркуляции. Летом из-за слабых барических градиентов роза ветров более симметрична. В это время года особенно велико влияние местных условий, которые вызывают локальную циркуляцию и механическую деформацию фоновых полей ветра.

Основой для любых климатических обобщений являются многолетние ряды наблюдений. От их полноты и качества зависят надежность и точность рассчитываемых параметров, а, следовательно, и степень адек-

ватности статистической модели фактическому распределению. Поэтому в работе достаточно много внимания уделено вопросам выбора пунктов наблюдений и подготовки рядов к статистической обработке.

Прежде всего был решен вопрос о выборе оптимального периода наблюдений. Результаты собственных разработок для районов Сибири, а также исследований, выполненных другими авторами для различных регионов страны в ходе подготовки "Нового научно-прикладного справочника по климату СССР", показали, что ветровой резким существенно меняется от года к году и от периода к периоду. Например, на ст.Каргополь двенадцатилетний период (1966-1977 гг.) по сравнению с более чем 90-летним периодом (1885-1977 гг.) занижает первые два параметра распределения до 20-25%, а средний куб скорости - даже до 43-55%. Причем установлено, что причина такого векового хода ветра связана не только с заменой флюгера, но и с естественной изменчивостью интенсивности атмосферной циркуляции. С другой стороны, выполненные расчеты с учетом объема и связности срочных наблюдений позволили сделать вывод, что для обеспечения погрешности расчетов среднего куба скорости на уровне 15% и ниже период наблюдений должен быть не менее 35-60 лет (в зависимости от изменчивости ветрового режима). Следовательно, оба названных подхода к обоснованию выбора оптимального периода свидетельствуют о целесообразности привлечения для ветроэнергетических расчетов длиннорядных пунктов наблюдений. Поэтому в данной работе в качестве базового был принят период с 1936 по 1986 годы.

Однако использование пятидесятилетних рядов сопряжено с другими трудностями. Дело в том, что в течение этого периода на метеостанциях произошла смена ветроизмерительных приборов (флюгера на М-63М) и осуществлен переход с четырех на восемь сроков наблюдений в сутки. В результате однородность всех рядов приземного ветра оказалась под сомнением. Поэтому, прежде чем производить их климатологическую обработку, необходима процедура выявления неоднородности, разработка методики ее устранения и (если требуется) корректировка рядов.

В табл.1 приводятся осредненные нами соотношения между показаниями флюгера и М-бЗМ, полученные по данным параллельных наблюдений различными авторами (Школяр, Смирнов, Кондратюк, Бернгардт, ^ Завари-ка, Кошинский и др.). Используя их для моделирования рядов, соответствующих функции Вейбулла, рассчитаны аналогичные соотношения и для статистических параметров ветра (V, б). Согласно данным табл.1,

за счет завышения мгновенных скоростей флюгером средняя многолетняя величина и среднее квадратическое отклонение оказываются на 4-8% вы-

Табжпа 1

Соотношения мекду скоростякн, кзкерэнньагн по Диггеру (V®), по 1!-бЗМ (7а), н неяду соочгветствукятми статистиками (м/с)

УФ1 0,5 2,5 4,5 8,5 12,5 16,5 26,5 37,5

\'а! 0,5 2,5 4,4 7,9 11,3 14,6 23,3 32,9 7Ф| 1,56 1,60 2,02 2,68 3,50 5,50 7,55 9,50

Уа| 1,55 1,58 2,00 2,63 3,40 5,20 6,97 8,70 бф| 1,49 1,58 1,75 2,06 2,45 3,02 4,02 3,99

ба| 1,43 1,53 1,67 1,94 2,28 2,72 3,51 3,45

пе, чем их действительные значения. Погрешности расчета среднего куба еще больше (26-382). Таким образом, очевидно, что обработка рядов, составленных из флюгерных и анемометрических данных, требует предварительного устранения неоднородности, или введения в результаты обработки неоднородных рядов соответствующих поправок.

Для этой цели в работе предложено два способа. Первый рекомендуется, когда отдельно сформированы ряды за периоды флюгерных (пф) и анемометрических (па) наблюдений. Рассчитанные по ним параметры (для "флюгерной" части с учетом табл.1) объединяются затем в одну общую совокупность с учетом длительности периодов п® и па:

У*=(УфХ+УаПа)/(Оь+Па) _ _ (1)

б (бф-^-Са2^) /( ПхЛ?Ь) 4-^Лз (У*"-Ул) 2/ (ти+ти,) 2,

где 7Ф\ бф* - параметры, соответствующие "флюгерной" части ряда и приведенные (с помощью табл.1) к М-63М.

Второй вариант приведения статистик ряда к однородному периоду удо-

бен для применения, если известны лишь значения пф и параметры распределения, вычисленные за весь неоднородный период (?,б). Для его реализации следует воспользоваться приближенными соотношениями (погрешности расчетов V* и б* по ним не превышают 0,1 м/с):

у-.У-ПфЕО.МУОГ-и+О.ОгЗ/СПф+Па) (2)

б*2-62-п<х, (0,00186 2-0,0526+0,6863-0,0011664)/(п<1)+па)

Чтобы внести большую ясность в вопросы влияния методики наблюдений на результаты их климатической обработки выполнены расчеты ветровых характеристик по данным непрерывных записей скорости ветра самописцем М-12 в ГМС Огурцово в течение 1976 года. Для этого с помощью пропусков и осреднения наблюдений было сформировано по 5 рядов, имитирующих различные значения дискретности (Д1) и периодов осреднения измерений (Т), Из табл.2 заметно, что изменение количества сроков наблюдений не оказывает какого-либо влияния ни на форму кривой распределения скорости (V, Су), ни на величину полного (У^) и неполного (и3) средних кубов. В то же время она приводит очевидные доказательства зависимости статистических и ветроэнергетических ха-

Таблица 2

Отношения (2) параметров ветра, соответствующих различной дискретности к различному периоду осреднения измерений, х (/Л, Т) /х (Д1>Т-10 мин)

-1-1-

Отноае- |Период между наблюдениями, Д1 |Период осреднения измерений.Т

кие па- |-[-1----1-------------- —

раы0!рав|1Оыин|ЗОмкн| 1 ч

--1-1-1-

V. м/с | 100 | 100 | 100 Су. 2 | 100 | 101 | 101 У^.мЗ/с3! 100 | 100 | 101 0р.м3/с3| 100 | 100 | 101 и3/*5, 100 | 100 | 100

3 ч

-1 I г

В ч |10мин|30юш|

1 ч

+

3 ч I 6 ч

100 100 99 99 101

100 | 100

101 | 100 100 | 100 102 | 100 102 | 100

100 99 98 98 100

100 99

96

97 100

100 96 93 93

100 92 89 89

100 | 100

рактеристик от масштаба осреднения измерений ветра (за исключением

средней скорости и отношения неполного и полного средних кубов). В последующих разделах работы показано, что еще более существенное влияние на параметры временных рядов, сформированных из периодов со скоростью ветра различной непрерывной длительности, оказывает дискретность наблюдений.

¡Вторая глаза посвящена методам статистической обработки рядов ветра. Поскольку фактические распределения скоростей представлены, как правило, в сгруппированном ваде, то для проведения косвенных расчетов требуется привлечение какой-либо статистической модели. В работе рассмотрен широкий спектр аппроксимирующих выражений, однако окончательный выбор сделан в пользу двухлараметрической функции Вей-булла:

P(V?u0)«expi-(u/ß/} , (3)

где ли г - параметры (3), зависящие от режима ветра.

Она вполне удовлетворительно описывает как резко асимметричные распределения, соответствующие закрытым формам местоположения, так и близкие к нормальному, формирующиеся в зонах с повышенным фоном скоростей.

Удачный подбор теоретической функции еще не гарантирует необходимую точность аппроксимации. Другим важным условием уменьшения погрешности расчетов является правильный выбор значений параметров аппроксимирующего выражения. Для этой цели рекомендуются метод моментов и метод квантилей, которые наиболее просты в реализации и особенно эффективны для ветроэнергетических расчетов при выравнивании ограниченного интервала кривой распределения.

Поскольку параметры Вит функционально связаны со средней скоростью и коэффициентом вариации, выражение (3) позволяет по известным u0/V и Cv определять P(V>uQ), или по P(V>u0) и Cv находить «о/V. Для удобства проведения расчетов в работе предложены соответствующие стандартные таблицы и номограммы.

Практика применения (3) показывает, что его можно использовать не только для аппроксимации нижнего и среднего участков кривой, но и верхней части распределения и даже для экстраполяции кривой в область редко наблюдаемых скоростей. Причем, в отличие от других, этот

способ определения расчетных максимумов имеет одно важное преимущество. Для пояснения представим (3) в несколько ином виде, учитывая, что вероятность достижения или превышения скорости, возможной один раз в Т лет в один из сроков наблюдений, зависит от частоты наблюдений в сутки (п) и периода повторения максимума (Т):

Р(у»'т)- 1/(365 пТ)

Тогда:

Ут«еип(365-п'т)3г/* (4)

Следовательно и величина расчетного максимума (Ут) должна зависеть не только от параметров з,т, и Т, но и от дискретности наблюдений. Однако, как уже было отмечено, изменение количества сроков наблюдений не оказывает влияния на форму кривой распределения, так как значения 9 и Су ( а значит и 8,г) не меняются с изменением п. Поэтому, располагая обычными 8-и срочными (или 4-х срочными) наблюдениями и определяя по ним е.г или 7,СУ, можно задавать различные значения п и рассчитывать максимумы скорости, соответствующие любой дискретности наблюдений. Разумеется, что с увеличением сроков наблюдений Ут будет возрастать.

В работе показано, что задание величины "п" в (4) должно определяться величиной среднего интервала времени (т), в течение которого сохраняется У>УТ, т.е. п=24/т. Если, например, требуется оценить воздействие максимума скорости на инерционные объекты (провода ЛЗП, высотные мачты, трубы и т.д.), частота собственных колебаний которых близка или менее 10 мин (0,17 час), то т24/0,17*144. Массивные сооружения, наоборот, являются "восприимчивыми" к максимумам, длительность которых составляет несколько часов. Поэтому для расчетов ветрового напора на них величину "п" следует брать значительно меньше (п=4*8). Пределы значений "п", очевидно, должны находиться в интервале 144>п>4. При п<4 параметры распределения будут определяться со значительной погрешностью из-за недоучета особенностей суточного хода ветра, а при п>144 - из-за невозможности учета колебаний скорости, длительность которых меньше, чем временной масштаб осреднения измерений (10 мин). В связи с этим предложенная методика позволяет по обычным сетевым данным рассчитывать максимумы ветра, соот-

ветствующие любому количеству сроков наблюдений: от 4-х срочных до непрерывных.

Для определения по формуле (4) расчетных порывов ветра, длительностью несколько секунд, необходимо предварительно привести параметры в, т (или Су) к соответствующему периоду осреднения. Для этого можно воспользоваться статистической зависимостью вида:

Су(X)/Су(Ю кгеО*5,8Л(Т°- 31+25,47)"°- 532 (5)

(Средняя скорость не зависит от периода осреднения, поэтому не требует приведения). Для уменьшения погрешностей расчетов максимумов скорости и, в особенности, максимальных порывов ветра в работе рекомендуется дополнительная корректировка параметров 7 и Су аа счет использования ограниченной части кривой распределения (>10 м/с или 10-20 м/с). Она осуществляется с помощью разработанных стандартных номограмм. В завершении второй главы рассмотрен вопрос определения режимных ветровых характеристик при дефиците исходной информации. Выполненный корреляционный анализ позволил рекомендовать для этого уравнения полиномиальной регрессии, в качестве независимых переменных которых являются V и 0о/7.

Предложенные во второй главе методы статистической обработки базируются на многолетних рядах наблюдений метеорологической сети станций. Поэтому и результаты таких расчетов характеризуют ветровой режим в окрестностях соответствующих пунктов на высоте 10 метров над землей. Вне этой зоны ветровые условия остаются неизЕестнши, хотя потребителя интересуют особенности ветра не в пунктах наблюдений,а как раз в отдалении от них, где осуществляется хозяйственная деятельность. Поэтому вопросы пространственной интерполяции многолетних характеристик ветра, рассматриваемые в уротьеД гдаво, весьма актуальны.

Значительная пространственная изменчивость ветра затрудняет восстановление характеристик скорости по территории. Разработанные ранее классификации местоположения по влиянию его на гстрспой резкизл (В.Ю.Милевского, С. А.Сапожниковой, Г.А.Гриневича и др.) являются, з основном, 1сачестаешшми, а поэтому малоэффективными для целей горизонтальной интерполяции. В то не время и современные методы гидродинамического моделирования климатических полей ветра из-за сложности их реализации для больших территорий с неоднородной подстилающей по-

верхностью и существенных погрешностей пока не находят широкого практического применения. В связи с этим в работе предложена коли-V чественная система типизации местных условий и соответствующих им режимов ветра. Подобно методике Е.Н.Романовой, основанной на использовании специально разработанного кода местоположения, она позволяет определять метеостанцию-аналог для местности, где не проводятся наблюдения. При этом в данной работе аналогичность местоположения рассматривается с точки зрения влияния его на климатический режим ветра (на значения параметров распределения скорости V и ад, а не на метеорологический. Согласно системы типизации, особенности распределения скорости ветра, помимо общециркуляционных условий, определяются характером окружающей растительности, рельефа, близостью к водоему и степенью, защищенности ближайшими искусственными и естественными объектами. Применяя экспертный подход к оценке влияния каждого фактора на режим ветра, разработана соответствующая шкала баллов. В целом система типизации включает в себя 1323 возможных типов местоположения, в том числе:

- 9 типов рельефа;

- 7 природно-ландшафтных зон;

- 7 типов водоемов;

- 3 типа микрозащищенности.

В качестве характеристик рельефа использовались его форма, высота (глубина), расстояние от него до исследуемого пункта и ориентация относительно преобладающих ветров. Влияние каждого типа рельефа на ветер оценивается по 9-ти бальной шкале. Баллы от 4 до 1 присваиваются положительный формам рельефа (вершины, наветренные склоны) в зависимости от их относительной высоты и степени экранированности ближайшими орографическими объектами. Ими же оценивается и аэродинамический эффект усиления ветра в продуваемых узких, прямых орографических долинах, величина которого зависит от глубины "ветропроводя-щих коридоров". Пониженные участки территории (котловины, впадины, низины, извилистые непродуваемые долины и т.д.), экранируемые сложным рельефом, а также подветренные склоны, наоборот, снижают средние скорости ветра и повышают его временную изменчивость. Поэтому для таких районов предусмотрены количественные критерии местоположения в баллах от 1 до 4 со знаком минус (в зависимости от степени экраниро-ванности пункта окружающим рельефом).

По степени влияния растительности на ветер вся территория под-

разделяется на 7 зон. Наименьшей шероховатостью подстилающей поверхности отличаются равнинные арктические острова и побережья Таймыра, практически лишенные растительного покрова. Поэтому зоны арктической пустыни и арктической тундры относятся к самым благоприятным для формирования интенсивного фонового потока (6 баллов). Растительность зоны тундры и южных пустынь тоже весьма скудная. Но она все же сильнее влияет на ветер (5 баллов) по сравнению с "безжизненными" пространствами арктических островов. По мере продвижения с крайнего севера. в зоны умеренных широт и одновременно с юга к ним, со стороны среднеазиатских и прикаспийских пустынь, растительность становится более богатой. Максимальную шероховатость для атмосферы ока создает в зонах широколиственных, сосново-таежных и смешанных (в европейской части России) лесов (О баллов).

Третий фактор местоположения - наличие водоемов. При определенных термодинамических условиях они могут оказаться причиной образования локальных циркуляций. Усиление ветра наблюдается также в долинах, поймах рек и других водных объектов из-за сужения линий тока и сравнительно невысокой шероховатости водной поверхности. Причем суммарный эффект их влияния на ветровой режим проявляется тем сильнее и отчетливее, чем крупнее водоем и Олж*е он расположен. Поэтому, согласно схемы типизации, максимальное влияние на ветер (6 баллов) оказывают окраинные моря в условиях равнинней местности в 50-километровой прибрежной зоне, а минимальное (1 балл) - небольшие реки (шириной 50-100 м) и внутренние водоемы (с шюшддью зеркала 1-0,5 км2) в районе 100-200 м от воды.

Микрозащищенность местности проявляется в ослаблении средней скорости отдельными деревьями, строениями и другими природными и хозяйственными объектами. Поэтому открытой (1 балл) считается местность, лишенная окружающих ее препятствий, или когда они удалены на расстояние более чем их £0-кратная высота. Если же местность расположена в зоне влияния препятствий, высота которых выше 10 м, то степень деформации ветрового потока над ней считается максимальной (3 балла).

Для того, чтобы оценить "информативность" выбранных факторов местоположения и количественный вклад их в формирование режима скорости гетра, был создан архив данных по 133 метеостанциям юго-востока Западной Сибири. В него включены параметры распределения скорости (V, Су), рассчитанные за 25-летний период наблюдений за каждый ме-

сяц, и количественная информация о местоположении пунктов, соответствующая разработанной системе типизации. Обработка архива показала, что между местными условиями, с одной стороны, и V, Су - с другой, существует достаточно высокая и надежная корреляционная связь. В целом за год полные коэффициенты корреляции составили соответственно 0,92 и 0,65. Согласно дисперсионнного анализа (табл.3), максимальный вклад в общегодовые дисперсии V и Су вносит рельеф (52 и 37%). На дисперсию средней скорости заметное влияние оказывают также растительность (23%) и защищенность (11%), а на изменчивость коэффициента

Таблица 3

Вклад (2) местных условий в общие дисперсии V и Су

1 ■" 1 |Время| Рельеф 1 1 |Раститель-1 Водоем 1 1 | Защищен- | 1 Общая |

|года | |ная зона | | ность | дисперсия |

1 {иа- 1 1

11ме- г 1 1 1 1 1 1 1 1

|сяц) | 1 | V Су 1 V 1 1 Су | 1 | V 1 Су 1 V Су | 1 V | Су | 1 1

1 1 1 I 1 48 27 1 | 24 1 1 1 3 1 1 1 4 1 8 1 1 1 1 1 80 | 36 |

! IV | 47 43 | 23 1 о | 0 1 2 | 10 1 1 76 | 47 |

I.VII | 33 32 | 25 I 2 1 1 1 2 I 13 2 I 68 | 38 |

1 X | 1 1 57 46 | 21 1 1 1 1 1 | 1 1 з 1 ю 1 | 1 86 | 53 | 1 1

1 1 1ГОД 1 1 1 52 37 1 | 23 1 1 1 1 1 1 | | 1 1 з > 1 11 1 1 1 1 1 1 1 84 | 44 | 1 1

вариации за счет остальных условий (кроме рельефа) приходится всего 5%.

Полученные результаты позволили разработать метод восстановления значений V и Су на высоте 10 м над землей в условиях неоднородной подстилающей поверхности, где не проводятся метеорологические наблюдения. Для его реализации достаточно ввести в ПЭВМ информацию о местных условиях исследуемого района. В соответствии с алгоритмами машина выбирает из архива и выдает на печать параметры ветра метеостанции-аналога, которая имеет наибольшее сходство по местоположению с исследуемым пунктом. Программное обеспечение метода состоит из

нескольких блоков: трех вспомогательных и основного (рис.1). С помощью первой программы создается база данных, куда записываются порядковый номер, координаты, название каждой метеостанции, сведения о ее местоположении и ветровом режиме. В ней предусмотрено расширение

Увеличение количества метеостанций

| Создание базы дан- Дополнение информации (БД) о ветре и I1 ции о метеостанциях

¡местоположении МС | | (МС)

I___I I_

--1--

Считывание данных для работы с основной программой

Устранение ошибок

Расчеты разностей между баллами местоположения МС и ИП

--1----

Определение ранга аналогичности по каждой МС

I-1-

Корректировка БД

I-*-

(Поиск метеостанции-

-1 - аналога

IВыбор МС-аналога по! ■(минимальному рангу |-( аналогичности |

Продление рядов и пересчет У.Су

Ввод данных о местоположении исследуемого пункта (ИП)

Выдача на печать У,Су метеостанции-аналога

г

Рис.1. Блок-схема восстановления У,Су по территории

архива за счет включения другой информации и дополнительных метеостанций. Вторая программа написана для считывания необходимых данных из архива и последующей их обработки. Третий блок вспомогательных

программ предназначен для внесения в архив изменений (исправлений), связанных с пересчетом статистик скорости после продления рядов и обнаружением ошибок в базе данных. Последний блок программного обеспечения является основным, в результате которого осуществляется поиск станции-аналога. Принцип его работы сводится к следующему. Сна-

чала с помощью разработанной системы типизации оцениваются условия местоположения исследуемого пункта и результаты (в баллах) вводятся в ПЭВМ. Затем происходит сопоставление их с соответствующими данными из архива и присвоение каждой метеостанции определенного ранга аналогичности. Чем меньше разность между баллами местоположения метеостанции и исследуемого пункта, тем меньше ранг аналогичности и тем больше сходства в их местных условиях. При этом учитываются результаты корреляционного анализа, согласно которых сначала находятся разности баллов по рельефу, затем по растительности и т.д., соответственно вкладу каждого из четырех факторов местных условий в формирование ветрового режима. Поиск аналога прекращается, если разности по рельефу и растительности для всех станций архива оказываются больше или меньше нуля (в этом случае предусматривается использование регрессионного метода восстановления V и Су). В остальных случаях машина выдает на печать параметры той метеостанции, ранг аналогичности которой минимальный. Они и рекомендуются для характеристики ветрового режима в исследуемом пункте.

Оценка сопоставления фактических и расчетных величин У,Су как по территории юго-востока Западной Сибири, так и по региону Урала показала, что относительные погрешности метода составляют 10-12% для равнинной местности и 11-29% для горной. Средняя ошибка восстановления обоих параметров оказалась равной 12%, что незначительно превышает допустимый уровень погрешности при расчетах по фактическим рядам многолетних наблюдений.

Результаты использования разработанной системы типизации условий подстилающей поверхности приводят также к выводу, что для климатической характеристики распределения скорости ветра по территории выбор местоположения сетевых метеостанций не является оптимальным. Из 133 пунктов юго-востока Западной Сибири, например, только 58 расположены в различных условиях местности (согласно системы типизации), остальные - дублируют их. На Урале число "дублирующих" метеостанций еще больше - 62%. Поэтому для целей прикладной климатологии ветровые измерения на большей части территории целесообразнее было бы проводить на других, более "информативных" площадках, имеющих отличные друг от друга условия окружающей местности и ветрового режима.

Не менее важной проблемой для ветроэнергетики и других отраслей хозяйства является изучение вертикальной изменчивости распределения ветра. Особенность ее состоит в том, что в отличие от синхронных

профилей, для которых имеется целый ряд вариантов решения, уровень теоретической проработки вопросов интерполяции (экстраполяции) климатических характеристик ветра по высоте в приземном слое атмосферы значительно ниже. Объясняется это, главным образом, сложностью и многообразием физических процессов, формирующих вертикальные распре--деления климатических параметров, которые можно назвать профилями лишь условно из-за их несинхронности.

В связи с этим в прикладной климатологии применяются логарифмический и степенной законы изменения скорости с высотой в упрощенных вариантах. Полагая, например, что распределение ветра у земли описывается Функцией Вейбулла, а профили мгновенных (синхронных) скоростей соответствуют степенному закону, нетрудно прийти к выводу, что нарастание и средних скоростей с высотой должно соответствовать этому же закону. Однако в данном случае показатель степени является сложной функцией, отражающей суммарное влияние на профиль V различных термодинамических и других условий, которые отмечались в течение пятидесяти лет наблюдений. Поэтому в работе предложена статистическая модель восстановления режима скорости ветра по высоте. Согласно се, приземный слой атмосферы состоит из множества подслоев, распределение ветра в которых зависит от его режима у земли. Учитывая нелинейность и многофакторность этой зависимости, в качестве статистической модели использовалась множественная квадратическая регрессия, независимыми переменными которой являлись V, Су на уровне флюгера и 2/10. Тесные статистические связи между ветровыми параметрами у земли и на высотах 100-метрового слоя (полные корреляционные отношения составляют 0,89-0,90), выявленные по дачным пунктов, расположенных в различных физико-географических условиях, обусловили надежность и устойчивость коэффициентов уравнений регрессии. Это подтвердила и оценка погрешности расчетов, выполненная на независимых материалах большинства аэрологических станций бывшего СССР. Расхождения мевду фактическими и расчетными значениями на высоте 100 м составили в среднем 4-7% для V, 8-10% для Су в прибрежных и малозалесенных зонах и 11-142 для V, 11-13% для Су з районах со сложным рельефом лесной зоны. Для приближенных оценок профилей параметров ветра в работе рекомендуются значения отношений V(г)/7(200) и С„(2)/Си(200) для 6 типов подстилающей поверхности.

Информационное обеспечение, необходимое для количественной оценки ВЗР, осуществляется с помощью ветроэнергетического кадастра.

Принципы разработки ВЭК и результаты анализа пространственно-временного распределения его элементов рассмотрены в четвертой главе. В состав кадастра рекомендуется включать три вида климатической информации о ветре:

- характеристики, отражающие общий уровень режима ветра и энергопотенциала 100-метрового слоя атмосферы;

- параметры утилизируемой части ВЭР;

- показатели экстремальных ветровых условий, ограничивающих использование ВЭУ. .

Для определения некоторых характеристик ВЭК предложены методы их расчета. Например, для оценки величины неполного среднего куба скорости, пропорциональной утилизируемой части ВЭР, получена следующая аналитическая зависимость:

^(«о. ир. От) -V3 и (Хр, т)-Л (Хо. т)+ир3Р( ит>У> ир) /V5:! , (6)

где Г(т) - полная гамма-функция,

х . .

■Г(х,т)=1/Г(т)^е'Ч"1-1- Л - неполная гамма-функция,

о

х=(У/В) , т=3/г+1 - параметры выражения (6), В_и г - параметры функции (3) , V3 - полный средний куб скорости ветра, "о.Чр. "ш - скорости ветра, при которых ВЭУ начинает (ис) и прекращает (ит) работать, а также достигает номинальной мощности (иР). Полезность этой, ранее неиспользуемой в кадастрах, характеристики состоит в том, что на ее основе можно рассчитывать другие параметры утилизируемых ресурсов ветра. Если известны, например, номинальная мощность (Ир,кВт) и скорость регулирования (ир,м/с) ВЭУ, то с помощью несложных формул (7) можно оценивать среднегодовую (среднемесячную) реально-возможную мощность (Й) и энергию (А) ветроагрегата:

Н=и3(\)о.«щ)/Нр«р3, кВт, Л^й5^.\)р. ит)/Крир33Т, кВт-ч (7)

где Т - продолжительность периода года в часах. Помимо способов оценки возможной производительности ВЭУ разработаны методы расчета средней непрерывной длительности вынужденных простоев

агрегата из-за слабых ветров. Для этого предложены как регрессионные модели, так и приближенные аналитические выражения, полученные в результате упрощения аппарата теории выбросов.

Массовые расчеты элементов ВЭК выполнены на ПЭВМ с помощью программы, учитывающей методические разработки по устранению внутри-рядной неоднородности, по восстановлению вертикальных профилей V, Су и по определению вновь предложенных кадастровых характеристик. Статистическая обработка 50-летних рядов срочных значений приземного ветра (1936-1986 гг.) проведена для 344 метеостанций Урала, Сибири и Дальнего Востока по каждому многолетнему месяцу на шести высотных уровнях.

Для выявления особенностей распределения скорости ветра и его энергетических параметров по территории и высоте построено 37 фоновых карт-схем за каждое полугодие, год в целом для высот 10,40 и 100 м над землей. Пространственный анализ осуществлен для следующих характеристик ВЭК: средней скорости, среднего квадратического отклонения, среднего куба скорости (полного и неполного), оптимальной скорости регулирования (при стратегии минимума суммарных потерь утилизируемой энергии), показателя стеленного закона, средней суммарной и непрерывной длительности энергетических штилей (У<3 м/с) и расчетных скоростей ветра. Перед картированием климатические характеристики в каэдом пункте приводились к параметрам, соответствующим стандартному местоположению (к незащищенной и безводной местности). Для приведения были использованы разработанные принципы типизации местоположения и соответствующие им количественные соотношения, полученные в результате регрессионного анализа взаимосвязи местных условий и ветрового режима:

Упр = нУн , к»1+а(3-1)/Ун (8)

Су пр= к*Су н , к"-1+Ь'.?/Су н , при КС4 баллов , где Ун, Су н. УПр, Су пр- статистики скорости ветра,рассчитанные по данным наблюдений (н) и приведенные (пр) к фоновым условиям местности;

Б - средний балл защищенности пункта, вычисленный с учетом повторяемости направления ветра и соответствующих Сач-лов открытости метеоплощадки;

И - степень влияния водоема на ветер в баллах.

В результате анализа особенностей распределения максимальных скоростей по территории и высоте выполнено районирование территории по расчетным скоростям ветра, соответствующим восьмисрочным и непрерывным наблюдениям. Оно окажется полезным при оценке ветровой нагрузки на ВЭУ и определении ее параметров ит и иб.

Помимо пространственного распределения характеристик рассмотрены также закономерности их изменчивости во времени. В зависимости от условий атмосферной циркуляции и подстилающей поверхности выделено несколько типов кривых годового хода основных элементов ВЭК, отличающихся как по срокам наступления экстремумов, так и по величине годовой амплитуды.

Результаты пространственно-временного анализа ветрового режима и его энергетических ресурсов дают достаточно полное представление о величине и степени изменчивости ветрознергопотенциала в приземном слое атмосферы. Однако с помощью их трудно делать конкретные выводы и обоснования по крупномасштабному использованию энергии ветра. Для окончательного решения вопросов, связанных с оптимизацией выбора типа ВЭУ, размещения ветроагрегатов по территории, оценкой их реально-возможной производительности и других, требуется дополнительная информация о ветровых условиях в различных формах ее представления. Методы получения, обработки такой информации и практические рекомендации по развитию автономной и сетевой ветроэнергетики рассмотрены в пятой главе.

Удобной формой представления конечных результатов решения практических задач, связанных с учетом в различных районах большого объема расчетного и статистического материала, является прикладное районирование. В связи с этим в работе вся исследуемая территория подразделена на пять зон с различными условиями ветрового режима и различной плотностью ветровой энергии в приземном слое атмосферы (рис.2, табл.4). Наиболее перспективными для ветроэнергетики являются острова северных и дальневосточных морей, полуострова Ямал, Гы-данский, Таймыр, Алтайский край и узкая полоса вдоль всего побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов. Здесь, в пятой и четвертой зонах, круглый год на высоте 40 метров средняя скорость достигает 6-8 м/с, средний куб скорости превышает 600-800 м3/сэ, а энергетические штили (У<3 м/с) сравнительно редки (15-242 и менее) и крат-ковременны (менее 4-5 часов подряд). Такие условия, формирующие вы-

Таблица 4

Среднегодовые значения параметров ВЭК на Н-40 м

г........ ■ - ■ 1 Номер района 1

| и>1|1<ин»'р ЮОЛ г 1 1 1 2 1 1 1 з 4 1 1 1 5 1

1 V, м/с I <5 1 | 4-6 15,5-6,5 5,5-7,5 | 6-8 |

I 6, м/с I <3 | 3-3,3 13,4-3,7 3,8-4,2 1 >4,2 |

| V3, м3/с3 | <200 1200-400 1400-600 600-800 | >800 |

1 ир\ М/с | <8 | 8-9 18,5-9,5 9.6-11 1 >11 1

| 1гЧ\}р*-25 м/с) ,м3/с3( <75 | 75-150 1100-200 200-250 1200-300 |

| Р(У<3 м/с), X | >55 | 40-59 | 25-39 15-24 1 <14 |

| т(У<3 м/с), ч | >9 | 6-9 I 5-7 4-5 1 <4 |

1 УТ=5(П=8), М/С | <24 | 22-26 | 25-29 28-32 1 >31 |

| Ут=ь(п=144), м/с | 1 1 <28 | 25-30 1 I 29-34 | 34-39 1 >38 | I 1

сокую плотность ветровой энергии (до 500 Вт/м2 и выше) и незначительную ее временную изменчивость, весьма благоприятны для массового размещения и эксплуатации любых ВЗУ , в том числе средней и большой мощности. Третья и вторая зоны, занимающие центральную и южную части Западной Сибири, а также неширокую полосу континентальной территории, протянувшуюся почти параллельно арктическому и дальневосточному побережьям, располагают сравнительно умеренными запасами ветровой энергии. Для ее утилизации применимы ветроагрегаты малой (вторая зона) и средней мощности. Остальная часть азиатской территории страны, имеющая сложный рельеф и наибольшую залесенность, является малоперспективной для развития ветроэнергетики.

Полезной дополнительной характеристикой ветровых ресурсов является их суммарное количество над той или иной территорией. Для того, чтобы определить их над районом, площадь которого Б, предположим, что полное восстановление энергии ветрового потока, ослабленного ветроколесом, происходит на расстоянии десяти его линейных размеров (10 - и диаметров ветроколеса). В этом случае средняя суммарная

мощность ветрового потока над всей территорией площадью Б, м2 будет равна:

где и(Б) - средняя мощность гипотетического ВЭУ, диаметр ветро-колеса которого П, м

Или, учитывая, что Н-1/2-р-и р0-1,22б кг/ы3, получим:

Ш(3)»«,1310 б 5 ¥Э(5) , «Вт (10)

Для оценки технически-возможной мощности в формулу (10) следует ввести коэффициент я/4, учитывающий площадь, ометаемую ветроколесом, и коэффициент использования энергии_ветра (4). Кроме этого необходимо заменить полный куб_скорости (V3) на неполный в диапазоне "рабочих" скоростей ветра (и3). Тогда, принимая, например, 4=0,4, представим (10) в виде:

Ш{5)ж^1,93-10~6-3-и5(5) , (11)

Выполненные расчеты ВЭР для каждой энергосистемы и входящей в нее административной области показали, что они весьма значительны. В среднем по всей исследуемой территории только на высоте 10 м над землей "теоретические" запасы ВЭР превышают суммарное потребление энергии примерно в 200, а технически-возможные (утилизируемые) - в .ГО раз, что свидетельствует о высоких потенциальных возможностях ветроэнергетики. Даже при размещении одной ВЗУ средней мощности (ветроколесо 30 м диаметром на высоте 40 м) на 200 км2 поверхности (такая средняя плотность ВЗУ действительно имела место в Европейской части России в начале века) с помощью ветроагрегатов можно замещать около 1,23% суммарной мощности теплоэнергоагрегатов, что эквивалентно экономии 2,5 млн.тонн дизельного топлива. Именно такое его количество ежегодно завозилось в районы Крайнего Севера СССР и сжигалось для обеспечения бытовых нудд населения.

В настоящее время разработаны и используются самые различные

конструкции ВЭУ. Выбор их зависит от многих причин, основными из которых являются соответствие технических характеристик ветровому режиму и эксплуатационным требованиям потребителя. Решение задачи выбора типа ВЭУ рассматривается в работе на примере трех, наиболее типичных стратегий потребителя: обеспечение максимума выработки энергии в режиме регулирования, минимума суммарных потерь ВЭР и оптимального соотношения между суммарными величинами потерь энергии и простоев ВЭУ. Для этого рекомендуются стандартные таблицы, которые по значениям ветровых характеристик пункта (V, Су) и выбранной стратегии, позволяют определять основные параметры ВЭУ: и0, ир. Остальные два параметра ветроагрегата (ит, "б) выбираются в зависимости от максимальных скоростей и порывов ветра с помощью зависимости (4), с учетом срока службы, вертикальных размеров ВЭУ и других его технико-экономических показателей.

Оптимальное размещение ВЭУ по территории, так же как выбор их типа, почти целиком определяется ветровыми условиями района. Поэтому, прежде чем устанавливать ветроагрегаты на местности приходится проводить на ней кратковременные микроклиматические наблюдения и выбирать наиболее "энергоактивные" площадки, учитывая влияние местных условий. В работе на примере климатического обоснования строительства двух совхозных ВЭС в Башкортостане, выполненного под руководством автора, предложена методика организации, проведения и обработки градиентных и шаропилотных наблюдений для этих целей. Показано, что тщательный учет микроклиматических особенностей площадок для строительства ВЭС в условиях холмистого рельефа предгорий Южного Урала позволяет выбрать такие из них , на которых возможная производительность ВЭС в 2,6-3,4 раза, а суммарное время ее работы в 1,2-1,5 раза больше, чем на ровном открытом месте.

К сожалению, на стадии предпроектных разработок, а иногда и при составлении ТЭО строительства ВЭС, полевые микроклиматические наблюдения не проводятся. При этом оценку ветроэнергопотенциала района и расчеты элементов ВЭК осуществляют по одной из ближайших метеорологических (аэрологических) станций. К каким погрешностям это может привести, хорошо видно из вышеприведенных результатов экспедиционных наблюдений на Южном Урале. В связи с этим в работе предложен принципиально новый подход к построению ветрового кадастра на базе ПЭВМ, который, учитывая условия местоположения, обеспечивает расчеты всех необходимых ветровых параметров в любой точке приземного слоя атмос-

феры, где не проводятся наблюдения (рис.3). Кроме этого он "подбира-

1 БД о местоположении | метеостанций

¡Аналоговый метод I восстановления У,Су | у земли

I-1-

I-

(Определение пармет-

I ров "т" и УШ

I Выбор оптимального I типа ВЭУ

БД

о ветротехнике

--

-1-

Создание базы данных (БД)

Ввод данных в ПЭВМ о местоположении пункта

-I-

Расчет профилей характеристик ветра

----1----

Расчеты элементов ВЭК у земли и на высотах

БД о режиме ветра на метеостанциях

(Регрессионный метод >|восстановления 7,СУ | у земли 1--;-

I-

► I Определение пара-•( метра Си (г)

►I Оценка возможной -1производительности

I ВЭУ

Рис.3. Блок-схема автоматизированного ВЭК

от'' оптимальный тип ВЭУ и оценивает се возможную производительность. Реализация такого кадастра и оценка погрешностей расчета его элементов для территории юго-востока Западной Сибири свидетельствуют о его заметных преимуществах по сравнению с традиционным ВЭК.

На основе выполненных исследований, оценки ветровых ресурсов и их возможной утилизации разработаны конкретные рекомендации по первоочередному строительству крупных ЕЭС для параллельной работы с энергосистемами. Учитывая целый ряд дополнительных Факторов (экономических, социальных, географических), наиболее перспективными районами строительства ВЭС признаны пригороды Златоуста, Магадана, Пет-

ропавловск-Камчатского, Холмска-Невельска и Владивостока. Предварительные расчеты показали, что даже при сравнительно небольшом количестве ветроагрегатов оптимального типа (по 30 в каждой ВЭС) эти пять ветростанций смогут замешать около 50 МВт суммарной мощности традиционных электростанций, ежегодно экономя около 40 тысяч тонн угля и предотвращая выбросы в атмосферу более 1200 т загрязняющих веществ.

выводы

1. Анализ временных рядов ветра свидетельствует о их значительной изменчивости от одного многолетнего периода к другому. Особенно заметно влияние нестационарности ветрового режима проявляется на значениях среднего куба скорости. С учетом связности рядов и особенностей их векового хода для ветроэнергетических расчетов рекомендуется использование наблюдений за период не менее 50-60 лет.

2. В результате замены на метеорологической сети флюгера анемометром в рядах приземного ветра появилась неоднородность. Для ее устранения разработаны способы, с помощью которых погрешности расчетов, возникающие по этой причине, можно уменьшить в среднем на 4-8% для V и Cv, на 26-38% для полного и на 12-18% для неполного кубов скорости.

3. В условиях юго-востока Западной Сибири наибольший вклад в общую дисперсию средней годовой скорости вносят окружающий рельеф местности (52%) и растительный покров подстилающей поверхности (23%). На долю защищенности метеоплощадки и влияния водоемов приходится соответственно 11 и 1% дисперсии. Рельеф оказывает максимальное влияние и на изменчивость коэффициента вариации (37%).

4. Выявленная достаточно тесная и надежная корреляционная зависимость между параметрами ветра (V, cv) и местными условиями явилась основой для создания системы количественной типизации местоположения по влиянию его на ветер и способов восстановления ветрового режима по территории. Погрешности методов составляют в среднем 10-12% для равнинной территории и 11-29% для пересеченного и горного рельефа.

5. Для определения режима ветра на высотах внутри 100-метрового

слоя атмосферы рекомендуется статистическая модель множественной квадратичной регрессии, независимыми переменными для которой являются V и Cv на уровне флюгера и высота. Она обеспечивает удовлетворительное качество восстановления вертикальных профилей климатических характеристик ветра со средней относительной погрешностью 10-12%.

6. Разработаны и реализованы методы расчета различных характеристик ветра и его ресурсов, в том числе утилизируемых ВЭР, возможной производительности ВЭУ, непрерывной длительности периодов ее простоя и других. В результате создан ветроэнергетический кадастр территории, содержащий обширную информацию по 344 пунктам за каждый многолетний месяц на семи высотных уровнях.

7. В результате исследования особенностей распределения параметров ВЭК проведена типизация их годового хода и построено 37 фоновых карт-схем. Анализ этих материалов позволил выполнить районирование территории, с помощью которого можно создавать схемы перспективного размещения ВЭУ для развития автономной и сетевой ветроэнергетики в различных регионах азиатской части страны.

8. Выполненная площадная оценка су\'марных запасов ВЭР выявила их огромные потенциальные возможности в энергообеспечении, ресурсосбережении и экологии территории каждой энергосистемы и административной области. Только на высоте 10 м над землей общий энергопотенциал атмосферы над исследуемой территорией превышает современны!, уповень энергопотребления в среднем в 200 раз. Даже при размещении одной ВЭУ (Н=40 м, Д=30 м) на 200 км2 поверхности с помошью ветроагрегатов можно замещать около 1,23% существующих энергетических мощностей, что эквивалентно экономии примерно 2,5 млн.т дизельного топлива, т.е. того количества, которое ежегодно завозилось в районы Крайнего Севера бывшего СССР.

9. Проведенные экспедиционные наблюдения в районе Южного Урала, обработка и использование их результатов для климатического обоснования строительства двух совхозных ВЗС позволили выбрать оптимальные варианты размещения ВЭУ. По сравнению с ровным, открытым местом (ближайшая метеостанция Акъяр) они могут существенно улучшить эксплуатационные показатели ВЭС,

увеличивая ее производительность в 2,6-3,4 раза, а суммарное время работы - в 1,2-1,5 раза.

10. Предложен принципиально новый подход к построению, ведению и использованию ВЭК. В результате его на базе ПЭВМ и архива многолетних данных представляется возможность создания автоматизированного ветрового кадастра, который "способен" выполнять расчеты элементов ВЭК в пунктах наблюдений, а также восстанавливать их значения в любой точке 100-метрового слоя атмосферы по информации о ее местоположении. Приемлемая погрешность пространственного восстановления ветроэнергетических характеристик, широкий круг возможностей, простота использования и другие достоинства автоматизированного ВЭК являются убедительным основанием для применения его на стадии предпроектных разработок вместо традиционного кадастра.

11. Для развития системной ветроэнергетики дано обоснование строительства пяти первоочередных крупных ВЗС (в пригородах Златоуста, Магадана, Петропавловск-Камчатского, Холмска-Не-вельска, Владивостока). Характеристика ветровых условий в этих районах позволяет оценить минимально-возможный вклад их в энергосистемы в 15,74 МВт реальной суммарной мощности, что эквивалентно экономии около 40 тысяч тонн угля и предотвращению выбросов в атмосферу более 1200 т загрязняющих веществ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Основные параметры распределения скорости ветра на территории Сибири//Труды ЗСРНИГМИ.-М.: Гидрометеоиздат.-1973.-Вып.12.- С.З-15.

2. Типовые кривые распределения скорости ветра для территории Сибири//Труды ЗСРНИГМИ.-М.: Гидрометеоиздат.- 1975.1 Вып. 16.- С. 94100.

3. Номограммы для расчета вероятностных характеристик метеорологических элементов по среднему значению и стандарту распределе-ния//Труды ЗСРНИГМИ.-М.:Гидрометеоиздат.-1975.-Вып. 16.-С.84-93 (в . сс авт. с Кошинским С.Д.).

4. Аппроксимация рядов распределения скорости ветра в Сиби-ри//Труды ЗСРНИГМИ.-М.: Гидрометеоиздат.- 1976.- Вып.20.-С.47-59.

5. Распределение максимальных скоростей ветра на территории За-

падной Сибири и методы их расчета//Труды ЗСРНИГМИ.-М.: Гидрометеоиэ-дат.- 1976,- Вып.20.-С.60-73.

6. Пространственно-временная изменчивость числа дней с сильным вотром в Новосибирской области//Труды ЗСРНИГМИ.-М.: Гидрометеоиздат.- 1977.- Вып.27.-С.3-10.

7. Расчет осредненных и мгновениях скоростей ветра малой обеспеченности по данным различного количества наблюдений в сутки.-Информационное письмо ГУГМС. - Л.: Гидрометеоиздат.-1977.-М 21.-С.76-78 .(в соавт. с Кошинским С.Д., Курыгиной Л.И., Рудовой Л.С.).

8. Определение вероятностных характеристик скоростей ветра различного временного осреднения с помощью стандартных номограмм//Труды ЗапСибНИИ.-М.: Гидрометеоиздат.- 1978.- Вып.39.-С.3-17.

9. Косвенная оценка режима максимальных скоростей ветра на юго-востоке Западной Сибири//Труды ЗапСиСНИИ.-М.: Гидрометеоиздат.-1978.- Вып.39.-С.18-28.

10. Опасные явления погоды на территории Сибири и Урала (разделы 2.1, 2.4, 4.1-4.4, 4.8)/Под ред.С.Д.Кошинского.-Л.: Гидрометеоиздат. -1979.-Ч.1.- 383 С.

11. Рекомендации по уточнению расчетных максимумов скоростей с помощью отсечения эмпирических распределений//Труды ЗапСибНИИ.-М.: Гидрометеоиздат.- 1981.- Вып.49.-С.10-17.

12. Результаты уточнения расчетных скоростей Еетра на территории региона Сибири и. Урала//Труды ЗапСибНИИ,-М.: Гидрометеоиздат.-1931.- Вып.49.-С.18-29.

13. О расчете вероятностных климатологических характеристик с помощью номограмм//Труды ГГО.-Л.: Гидрометеоиздат,- 1881.-Бып.460.-С. 18-23 (в соавт. с Кошинским С.Д.).

14. О методе расчета временных характеристик скорости вет-ра//Труды ЗапСибНИИ.-М.: Гидрометеоиздат,- 1983,- Вып.57.-С."2-25.

15. Учет непрерывной длительности скоростей ветра при определении расчетных максимумов//Труды ЗапСибНИИ.-М.: Гидрометеоиздат.-1984.- Вып.61.-С.11-19.

16. Косвенные способы' расчета режимных характеристик скорости ветра и ее непрерывной продолжительности//Труды ЗапСибНИИ.-М.: Гидрометеоиздат. - 1984.- Вып.бЬ.- С.оЗ-74.

17. Предварительная оценка ветро^чергоресурсов Западной Сибири. -В сб. Гидрометеорологическое обеспечение народного хозяйства Сибири. Тезисы докладов.-Новосибирск: Ротапринт ЗапСибНИИ.-1983. -С.50-

-51 (в соавт. с Курыгиной Л.И.).

18. Ветроэнергетические ресурсы арктической зоны Сибири.-В сб.: Изучение природных условий низовьев и устьев рек арктической зоны для гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства. Тезисы докладов.-Л.:Ротапринт ДАНИИ.-1985.- С.53-54.

19. Учет климатических характеристик скорости ветра для оптимизации режимов работы ветроэнергетических установок//Труды ЗапСиб-НИИ.-М.: Гидрометеоиздат.- 1987.- Вып.80.- С.3-11.

20. Опасные явления, погоды на территории Сибири и Урала (раздел 6.1, предисловие, заключение)/Под ред.С.Д.Кошинского, А.Д.Дробыше-ва. -Л. .-Гидрометеоиздат.-1986. -ч. 2.- 243 с.

21. Восстановление статистических характеристик скорости ветра в 500-метровом слое атмосферы//Труды ЗапСибНИИ.-М.: Гидрометеоиздат. -1987.- Вып.80. -С.11-21.(в соавт. с Курыгиной Л.И.).

22. Опасные явления погоды на территории Сибири и Урала (разделы 5.1-5.4, предисловие, заключение)/Под редакцией С.Д.Кошинского, А. Д. Дробышева.-Л.:Гидрометеоиздат.-1987.-ч.З.- 200 с.

23. Оценка ветроэнергетических ресурсов в высокогорных районах Урала//Труды ЗапСибНИИ.-М. .-Гидрометеоиздат.-1987.-Вып.82. -С.109-117. ( в соавт. с Чижиковым В.Д.).

24. Опасные явления погоды на территории Сибири и Урала (раздел 5.1, предисловие, заключение)/Под ред.С.Д.Кошинского, А.Д.Дробышева, Н.И.Белой.-Л. .-Гидромететеоиздат.-1987.-ч.4.- 222 с.

25. Пространственно-временное восстановление информации о ветре для целей строительного проектирования//Труды 2-го международного симпозиума "Новые' достижения строительной климатологии". -М.:Строй-издат.-1987.-ч.2.- С.362-367.

26. Опасные явления погоды на территории Сибири и Урала (раздел 5.1)/Под ред.С.Д.Кошинского, А.Д.Дробышева, Н.И.Белой.-Л.¡Гидрометеоиздат. -1987. -ч. 5.- 216 с.

27. Ветроэнергоресурсы юга Новосибирской области- Агропрому в XII пятилетке.- В брошюре ВДНХ СССР"Передовой опыт работы сетевых организаций".-Обнинск: Офсет ВНИИГМИ-МЦД.-1988.- 9 с. (в соавт. с Чижиковым В.Д.).

28. Оценка климатических ветроэнергоресурсов//Сборник научных трудов Гидропроекта. Ветроэнергетические станции. -М. :Изд-во Гидро-проекта.-1988.-Вып.129.- С.48-54 (в соавт. с Брюханем Ф.Ф.).

29. Определение ветроэнергоресурсов с помощью стандартных таб-

лиц//Труды ЗапСибНИГМИ.-М. :Гидрометеоиздат.-1989.-Вып.86.- С. 3-14.

30. Использование ветроэнергоресурсов южной части Новосибирской области для пастбищного водоснабжения//Труды ЗапСибНИГМИ. -М.:Гидрометеоиздат.-1989.-Вып.86.- С.14-19 (в соавт. с Чичиковым В.Д., Кузьмин™ И.Н.).

31. Особенности обработки наблюдений за ветром для задач ветро-энергетики//Труды ЗапСибНИГМИ.-М.¡Гидрометеоиздат.-1989.-Вып.86.- с. 19-23 (в соавт. с Курыгиной Л.И.).

32. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов (глава 6).-Л.-Гидрометеоиздат.-1989.-79 с.

33. Способ определения характеристик длительности ветра на агельфах морей//Труды ЗапСибНИГМИ.-М. ¡Гидрометеоиздат.-1989.-Вып.86.-с.23-26.

34. Климатическое обоснование размещения ветроагрегатов в районах Сибири и Дальнего Востока//Сборник трудов Всесоюзного совещания по прикладной климатологии.-Л.:Гидрометеоиздат.-1990.- С.246-254 ( в соавт. с Курыгиной Л.И., Чижиковым В.Д. ).

35. Ветровые условия Сибири и Дальнего Востока для ветроэнерге-тики//Труды ЗапСибНИГМИ. -М. .-Гидрометеоиздат. -1990. -Вып. 91. - С. 40-55 (в соавт. с Курыгиной Л.К., Чижиковым В.Д. ).

36. Руководящий документ. Методические указания. Проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ВЭУ. РД 52.04.275-89 (главы 5-7, приложения 1-7).-М.:Гидрометеоиздат.-1991.- 57 с.

37. Методика климатического обоснования использования энергии ветра.-В сб."География и природные ресурсы".-Новосибирск:ВО "Наука", СО РАН.-1993.-N 3.- С.129-135 (в соавт. с Калининым Н.А, Пермяковым Ю.А.).

38. О результатах исследования ветроэнергоресурсов Сибири и Дальнего Востока.- В сб.:"Атмосферная циркуляция. Климат. Загрязнение вовдуха. "-Казань: Изд-во Казанского госуниверситета.-1994.-С.97-110.

39. Ветроэнергетический кадастр Прикамья.-В журнале:"География".-Пермь: Изд-во Перыского госуниверситета.-1994. -Вып.4. -С. 126-134 (в соавт. с Пермяковым Ю.А.).

40. Оценка влияния местных условий на ветровой режим юго-востока Западной Сибири.-В межвузовском сб.¡"Анализ и прогноз гидрометео-

рологических элементов. Вопросы охраны атмосферы".-Пермь:Изд-во ПГУ. -1994.- С.95-111.

41. Ветровые ресурсы восточных регионов России.-В сб.:"Общепланетарные проблемы исследования земли". Тезисы докладов.- Казань: Изд-во Казанского госуниверситета.-1994.- С.107.

42. Типизация режима скорости ветра.-В сб.: "Регион и география". Тезисы докладов.-Пермь: Изд-во ПГУ.-1995.-ч.III.- с.120.

Подписано в печать|7.12.^5 Формат 60x84 1/16. Печать офсетная Усл. печ. л.; 2,09 Тираж 100 экз. Заказ1ЪОЬ.

614600, г.Пермь, ул. Букирева, 15. Типография ПГУ.