авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Оценка ветроэнергетическогопотенциала на различныхвысотах (напримере юго-востокаевропейской территориироссии)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Рыхлов АлександрБогданович

КЛИМАТОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГОПОТЕНЦИАЛА

НА РАЗЛИЧНЫХВЫСОТАХ

(НАПРИМЕРЕ ЮГО-ВОСТОКАЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИРОССИИ)

25.00.30 – Метеорология,климатология, агрометеорология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора географическихнаук

Казань2012

Работа выполнена на кафедреметеорологии и климатологии ФГБОУ ВПО

«Саратовскийгосударственный университет имени Н.Г.Чернышевского»

НаучныйконсультантСкляров Юрий Андреевич

доктор технических наук,профессор,

заведующийкафедрой

метеорологии иклиматологии СГУ

Официальныеоппоненты:Калинин Николай Александрович

доктор географическихнаук, профессор,

заведующий кафедройметеорологии и

охраны атмосферыПГНИУ

Васильев АлександАлександрович

доктор географическихнаук, профессор,

ведущий специалист АНО

«Московскоегидрометбюро»

Елисеев АлексейВикторович

докторфизико-математических наук,

старший научныйсотрудник ИФА РАН

Ведущаяорганизация:ФГБУ «Главная геофизическая

обсерватория им. А.И. Воейкова»

Защита состоится 20декабря в 15 часов на заседаниидиссертационного совета Д.212.081.20 вКазанском (Приволжском) федеральномуниверситете им. В.И. Ульянова-Ленина поадресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18,корп. 2, Институт экологии игеографии.

С диссертацией можноознакомиться в научной библиотеке им. Н.И.Лоба­чевскогоФГБОУ ВПО «Казанский (Приволжский)федеральный университет им. В.И.Ульянова-Ленина». Отзывы и замечания,заверенные печатью, направлять поуказанному адресу.

Автореферат разослан«____» ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационногосовета,

кандидат географическихнаук,доцент Ю.Г. Хабутдинов

Общая характеристикадиссертационной работы

Актуальностьработы.Важнымусловием экономического развития обществаявляется ра­циональное использование иэкономия топливно-энерге­ти­ческихресур­сов. Вдостижении этой цели может помочьвовлечение в хозяйственный оборотвозобновляемых источников энергии. Ихвнедрение не только снизит всевозрастающие темпы истощениятопливно-сырьевой базы, но и окажетблагоприятное влияние на состояниеокружающей среды. Впоследние годы при разработке новыхтехнологий получения энергии оченьбольшое внимание уделяют освоениюветроэнергоресурсов. Современный опыт эксплуатацииветроэнергетических установок(ВЭУ),преимущественно в странах с ограниченнымиуглеводородными ресурсами, показывает, чтов ряде мест себестоимость производимой имиэлектроэнергии успешно конкурирует страдиционнойэнергетикой. Это открывает новыеперспективы в решении энергетическихпроблем регионов и государств. Однакопроблема поиска перспективных площадокдля размещения ВЭУ окончательно не решенаи требует целенаправленныхисследованийветрового режима различныхтерриторий нетолько вблизи земной поверхности, но и наразличных высотах приземного слояатмосферы.

Метеорологическиеаспекты проблемы ветроэнергетики активнодебатируются в рамках Всемирнойметеороло­гической организации. В нашейстране также отмечается по­вышение интереса кэтой проблеме, однако метеорологи еще внедостаточной степени привлечены к ее решению. Анализ литературы,посвященной как изучению ветрового режимавообще и ветроэнергетике в особенности,свидетельствует, что Юго-Восточнаятерритория России (ЮВ ЕТР) в этом отношенииявляется менее изученной по сравнению сдругими регионами, например, северо-западаРоссии [М.М. Борисенко, 2007], Кольскогополуострова [В.А. Минин, 2001], Татарстана [Р.С.Адрахманов, Ю.П. Переведенцев, 1992; Ю.П.Переведенцев, А.А. Николаев, 2002], Прикамья[А.Д. Дробышев, 1997], Сибири [А.Д. Дробышев, 1973]и др.

Целью диссертационной работы являетсяразработка статистическихметодов восстановления режима скоростейветра на различных высотах приземного слояатмосферы по наземным метеорологическимнаблюдениям, позволяющих надежно оценитьветроэнергетический потенциал и раскрытьего пространственно-временные особенностина ЮВ ЕТР.

В контекстесформулированной цели решались следующиезадачи:

• детальное изучениережима скоростей ветра на высоте флюгера врассматриваемом регионе;
• научное обоснование выборатеоретического закона распределенияскоростей ветра на высоте флюгера и наразличных высотах приземного слояатмосферы;
•разработка принципов совмещения законовраспределения скоростей ветра во времени иих обобщения по территории, параметризациязаконов распределения;
• изучение закономерностейизменения средних скоростей ветра свысотой и их особенностей в различныхчастях региона;
•разработка методики климатологическойоценки режима скоростей ветра на различныхвысотах в зависимости от их значений навысоте флюгера;
•оценка ветроэнергетических ресурсоврегиона и построение карт ихгеографического распределения наразличных высотах.

Научнаяновизна исследования:

•систематизированы и оценены основныепространственно-временные закономерностирежима скоростей ветра на ЮВЕТР;

•выявлен оптимальный теоретический законраспределения скоростей ветра,соответствующий эмпирическому ветровомурежиму;

•впервые доказано, что в результатеприменения дополнительных процедур,геометрически подобные распределенияскоростей ветра в различное время годанезависимо от местоположения можносовместить и обобщить, что позволяетрайонировать территорию по скоростномурежиму ветров;

•выявлено, что в нижнем 150-метровом слоеатмосферы изменение с высотой средних скоростей ветра может быть выраженокак степенной, так и логарифмической формулами, однакопараметры функциивысоты в ряде регионовсущественно отличаются от стандартныхзначений;

•разработана новая методика климатологической оценкирежима скоростей ветра на различныхвысотах, являющегося основой расчета потенциальных иутилизируемых ветроэнергетическихресурсов;

• наоснове выявленных закономерностей впервые оцененыветроэнергетические ресурсы в регионе наразличных высотах.

Объект и предметисследования.

Ветровой режим наюго-востоке Европейской территории России.Параметризация теоретических законовраспределения скоростей ветра.Вертикальные профили средних скоростейветра и их вероятностные распределения. Ветроэнергетический потенциалтерритории, пространственныезакономерности его распределения.

Положениявыносимые на защиту:

• Использование преобразования переменной втеоретических законах распределенияскоростей ветра от конкретных значенийк их отношениям к средней позволяетсовмещать во времени и обобщать потерритории эти распределения, а такжеполучить обобщенный для региона закон,соответствующий реальному ветровомурежиму;

•Параметры обобщенного законараспределения скоростей ветра,определенные по наземным наблюдениям,применимы для различных высот приземногослоя атмосферы;

• Дляоценки среднего многолетнего значения скорости ветра на высотеоси ветроколеса могут с успехомиспользоваться как логарифмическая, так истепеннаяформулы,параметры которых определяютсяустановленными соотношениями;

•Параметры функции изменения среднейскорости ветра с высотой связаны сосредней скоростью на уровневетроизмерительного прибора найденнымиуравнениями регрессии;

•Построенные карты распределенияветроэнергетического потенциала навосьми высотных уровнях приземногослоя атмосферы раскрывают возможностииспользования энергии ветра на ЮВ ЕТР ипозволяют в каждой административнойобласти региона выявить перспективныеместа расположения ВЭУ.

Исходные данные иметодики исследования. Входе выполнения диссертационной работыбыли использованы опубликованные официальные справочные материалы. В работеиспользованы результаты экспедиционныхработ, выполненных сучастием автора, поизмерению скоростей ветра на высотах 14 и 59м на юго-востоке Саратовской области впериод март-май 2004 г.

В основу исследованийположены методы математическойстатистики, математическогомоделирования и ГИСтехнологии. Широко применялся методсравнительного анализа.

Достоверностьрезультатовобеспечивается использованием достаточно большихмассивов исходной информации, оценкой их надежности иприменением оптимальныхметодов статистической обработки.

Практическаязначимость работы. Результаты работыбыли использованы Правительством Саратовскойобласти длятехнико-экономического обоснова­ния схем размещенияпарка ветроэнергетических установок (ВЭУ),оценки предполагаемойвеличины вырабатывае­мой энергии,стоимостных показателейи сроков окупаемостипроекта.

Разработанные вдиссертации научные подходы, принципы инайденныесвязи между приземными и высотнымихарактеристиками ветра могут бытьприменены для уточнения потенциальных иутилизируемых ветроэнергетическихресурсов любого региона России и мира спривлечением местныхматериалов наблюдений за ветром.Универсальность полученных соотношений позволяет значительно улучшитьклиматологическое обеспечение решенияветроэнергетических задач и,следовательно, способствоватьэкономически оправданному использованиюэнергии ветра. Кроме того,результаты работы внедрены и активноиспользуются в учебномпро­цессе нагеографическом факультете Саратовского университета(СГУ) приподготовке студентовметеорологов и экологов,специализирующихся в направлениирационального использования природныхресурсов.

Апробация работы. Основные результаты диссертациидокладывались на:

– XV конференциимолодых ученых и специалистов Институтапустынь АН ТССР (Ашхабад, 1986 г.).

– Ежегодных научныхконференциях географического факультетаСГУ (2000-2011).

– Совместных научныхсеминарах кафедрыметеорологии и климатологии и лаборатории астрономии игеофизики НИИ механики ифизики СГУ(2002-2011).

– ХIсъезде РГО «Научное познание мира,динамика географической среды»(Санкт-Петербург, 2000 г.).

–Международной конференции «Устойчивоеразвитие территорий: теория ГИС ипрактический опыт» (Саратов-Урумчи, 2008 г.).

– IХ Международном симпозиуме«Энергоресурсоэф­фектив­ность и энергосбережение» (Казань,2008).

– Всероссийской научной конференциис международным участием «Окружающаясреда и устойчивое развитие регионов:новые методы и технологии исследований»(Казань, 2009).

– Всероссийской научно-практической конференции «Экология: синтезестественнонаучного, технического игуманитарного знания. (Саратов, 2010).

–Всероссийской научной конференции «Погода и климат: новые методы итехнологии исследований» (Пермь, 2010).

Личный вкладавтора состоитв:

• постановке задач,выбореспособов их решения, формулировке и обосно­вании научныхположений;

•разработкеметодики восстановления режима скоростейветра на различных высотах в приземномслое атмосферы по данным приземных метеорологическихнаблюдений;

•изучениипространственно-временных особенностейраспределения скоростей ветра;

•выделении основных типов распределенияскоростей ветра, районировании параметровраспределения на юго-востоке ЕТР;

• построениикарт-схемпространственного распределенияветроэнергетического потенциала навысотах 10, 30, 50, 70, 90, 110, 130, и 150 м над земной поверхностью врассматриваемом регионе.

Публикации. По теме диссертационной работыопубликованы 2 монографии и24 научных статьи вреферируемых изданиях, в том числе 11 в рекомендованныхВАК.

Структура иобъем работы

Диссертационная работасостоит из введения, шестиглав, заключения и спискаиспользованных источников, включающего286наименований. Общий объем работысоставляет 255страниц. Работа иллюстрирована 20таблицами, 55 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, излагаютсяцели и задачи исследования, дана оценкаих научнойновизны и практической значимости. Приведен переченьположений и наиболее значимых результатов,выносимых на защиту. Приводятся сведения о работе и ееструктуре.

В первой главе обобщены принципы и способысовременного климатологическогообеспечения ветроэнергетики. Историяразвития ветроэнергетики свидетельствуетоб эволюции требований, предъявляемых к еёклиматическому обеспечению, исходным данным иметодам их использо­вания для решенияветроэнергетических задач. Наиболее частозадачи оценки ветроэнергоресурсоврешаются длянебольших локальных территорий и сиспользованием гипотетическихпредположений о распределении скоростейветра в конкретном пунктерегиона и особенностей изменения ветрового режима свысотой. Лишь в последние десятилетиядостаточно четко определился круг задачдля решения ветроэнергетических проблем,связанных с оценкой потенциальных иутилизируемых ветроресурсов той или инойВЭУ, в зависимости от ееместоположения, высоты расположенияоси ветроколеса и техническихданных конкретной ВЭУ.

Отмечается, что ветроэнергетика как секторэнергетики присутствует в более чем 50развитых странах мира. Страны с наибольшейустановленной мощностью на 31.12.2007 г. – Германия, Испания,США, и Китай. Ряд других стран, включаяИталию, Великобританию, Нидерланды, Китай,Японию и Португалию, перешли отметку в 1000МВт. Ветроэнергетика наиболее динамичноразвивалась в странах ЕС, но сегодня этатенденция начинает меняться. Всплескактивности наблюдается в США и Канаде,новые рынки возникают в Азии и ЮжнойАмерике. В Индии и Китае в 2005 годузарегистрирован рекордный уровень роста.Дания к 2030 году планирует за счет ветряковпокрыть до 50% энергопотребления.

Рассматриваются теоретические основы определенияветроэнергетических ресурсов иобосновываются подходы их оценки. Одной изосновных характеристикветроэнергетического потенциала являетсяудельная мощность ветрового потока,приходящая на единицу площади в единицувремени,она определяется выражением:

,(1)

где – плотность воздуха(кг/м3),v – скорость ветра(м/с).

Из уравнения (1) следует,что удельная мощностьветрового потока пропорциональна кубускорости ветра и в силу этого оназначительно возрастает даже при небольшомусилении ветра. Например,при усилении скорости ветрав 2 раза, мощность ВЭУ возрастает в 8 раз.Отсюда следует, что для оценки мощностиветроустановок и количествавырабатываемой ими энергии необходима надежнаяинформация о повторяемостиразличных скоростей ветра впредполагаемом районе их установки науровне оси ветроколеса.

Эта же особенность непозволяет оценивать среднюю за какой-либоотрезок времени (месяц, год) удельнуюмощность и использовать ее для расчетавеличины вырабатываемой энергии, знаятолько среднюю скорость ветра. Поэтому среднюю удельную мощностьследует рассчитывать как

,(2)

где дифференциальная функция распределенияскоростей ветра. Приведенный интегралможно оценить интегральнойсуммой как:

=,(3)

v1,2, 3 …n – значения скоростей ветра для середины градаций, p(v1, 2,3…n) – повторяемостьградаций.При использовании этихданных в качестве vn беретсязначение скорости ветра для серединыградации. Эти вычисленияможно произвести с использованием справочников поклимату, гдепомещены таблицы повторяемостей различныхградаций скоростей ветра. Очевидно, что наиболее точныерезультаты можно получить лишь сиспользованием формулы (2). Дискретностьзначений в формуле (3) икубическая зависимость от приводит кзанижению оценок. Поиск вида функции –одна из задач, решаемых внастоящемисследовании.Разумеется, что полученныеоценки средних значений удельной мощностиследует относить лишьк тому пункту, гдепроизведены метеорологические наблюдения.

Вместе с тем известно,что ветер обладает большойвременной и пространственнойизменчивостью, вызванной деформациейветрового потока (скорости и направления)под влиянием шероховатости подстилающейповерхности и физического состоянияатмосферы. Вопросы репрезентативностиполученных расчетов требуют особойтщательной проработки. Они составляют одну из задачнастоящего исследования.При энергетическойоцен­кеприродного режима вариаций скоростейветра во времени и пространствеприменительно к запросамтехнико-эко­но­мического обоснова­ния и проек­тированияконкретных энергетиче­ских объектов все данные о режиме ветра в той илииной местности целесообразно представлятьв виде объективных числен­­ных характеристик,отражаю­щих течение природного геофизическогопроцесса в приземном слое, икоторые удобны для практическихрасчетов.

Результатыисследований по оценке ветроресурсов итехнических решений их утилизации былиобобщены при разработке руководящегодокумента (РД 52.04. 275-89) по проведениюизыскательских работ по оценкеветроэнергетических ресурсов дляобоснования схем размещения ипроектирования ВЭУ. Они определилиперечень характерис­тик ветра, необходимых дляклиматологического обеспеченияветроэнергетики.

В ихпервую часть входят общие климатическиехарактеристики ветра,поз­воляющиеопределить удельнуюмощность ветрового потока – показателятеоретического потенциала энергии ветра,т.е. потенциала, рассчитываемого с учетомвсего диапазона фактически наблюденныхскоростей ветра. Ко второй части относятспециализированные климатическиехарактеристики, раскрывающие условия эксплуатациии режима работы ВЭУ. В третью частьвключаютсяклиматические характеристики для расчетаконструкций ВЭУ на прочность иустойчивость.

Большинство современных научныхработ посвящено оценке вет­ро­энер­ге­тического потенциала вблизи земнойповерхности. Можно сказать, что ониобеспечивают «малую» ветроэнергетику,призванную использовать энергию ветра вкачестве энергосберегающих технологий. Унебольших ВЭУ ось ветроколесарасполагается на высотах около 20 м. Для ВЭУ,высота башни которых составляет 100-120 м,необходим учет изменения удельноймощности и выработки энергии, которыевесьма существенны. Однако до настоящеговремени вопрос о восстановлении режимаветра на требуемой высоте окончательно нерешен. Поэтому одной из важнейших задачнастоящего исследования являетсяразработка методики оценкиветроэнергетического потенциала на любойвысоте установки оси ветроколеса ВЭУ.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.