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:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Оценка ветроэнергетическогопотенциала на различныхвысотах (напримере юго-востокаевропейской территориироссии)

-- [ Страница 3 ] --

При обобщении значений параметров распределения по всем областям региона, нами сиспользованием метода наименьшихквадратов получено одно уравнение, позволяющеевоспроизвести (смоделировать) ветровойрежим в любой точке рассматриваемойтерритории, зная лишь средние значения скоростиветра, сведения о которых по большому числу метеостанцийсодержатся в справочникахпо климату. Надежнаяпространствен­наяинтерполяция их значений впредполагаемое место установки ВЭУобычно не представляет труда. Полученное намиобобщенноеуравнение распределенияскоростей ветра вконкретном пунктеюго-востока ЕТР, к которой мы относим,прежде всего, Калмыкию, Астраханскую,Волгоградскую, Саратовскую, Пензенскую, Самарскую и Ульяновскую области, имеет вид:

.(7)

Для выяснения надежности полученной нами формулы (7), были рассчитанытеоретические повторяемости скоростейветра по градациям для всех метеостанцийрегиона. Сравнение их сэмпирическими даннымипоказало, что повторяемостьскоростей ветра воспроизводится с той жеточностью, что прииспользовании распределенияВейбулла-Гудрича. Различиятеоретических и эмпирических частотнаходятся на уровне статистических ошибок,особенно в области высоких скоростейветра.

Длярешения задачи овозможностисовмещения законов распределенияпо высотенами использовались результаты срочныхнаблюдений на высотныхметеорологическихмачтах. Какизвестно такие наблюденияпроизводятся в системеРосгидромета в ограниченномчисле пунктов. В качестве примера на рис. 3 показано совмещениераспределенийскоростей ветра сиспользованием повторяемостиградаций навысотах 9, 121 и 301 м в Останкино.Как показалирезультатыисследования, и в этом случаесовмещениеоказывается весьма тесным.Коэффициентдетерминированности около 0,98, что позволяетсчитать связь эмпирическихи теоретических значенийобеспеченностискоростей ветра почтифункциональной.Следовательно,параметрымодифицированногораспределения Вейбулла-Гудрича будут одними итеми же на любой высоте приземного слояатмосферы и их можно оценить по наземнымнаблюдениям.

 Рис. 3.Совмещение среднихгодовых распределенийскорости ветра по-37

Рис. 3.Совмещение среднихгодовых распределенийскорости ветра по высоте. Останкино.

Такимобразом,разработанные нами полуэмпирическиеосновы моделирования ветровогорежима в приземном слоеатмосферы наюго-востоке ЕТР впервыепозволяют надежно получать не толькоразличныестатистическиехарактеристики ветра, но они могут с успехомприменяться для оценки как ветроэнергетического потенциалатак иутилизируемыхресурсов территории, с учетомрежимов работы ветродвигателя.Для восстановления режима ветра вкаком-либо пункте и на произвольнойвысотеосиветроколеса,необходимо знание лишь средней скоростиветра на ее уровне.

Как следует из формулы(7) не менее важной проблемой дляветроэнергетики и других отраслейхозяйства является изучение вертикальнойизменчивости средних характеристикветра. Поэтому в главе 3рассматриваются климатическиезакономерности из­менения среднихмесячных и годовых скоростей ветра с высотой. Особенность задачи состоит в том,что в отличие от синхронных профилей, для которых имеется целыйряд вариантов решения, уровеньтеоретической проработки вопросовинтерполяции (экстраполяции) кли­матическиххарактеристик ветра по высоте в приземномслое атмосферы значительно ниже.Объясняется это, главным образом,сложностью и многообразием физическихпроцессов, формирующих вертикальныераспределения климатических параметров,которые назвать профилями, из-за ихнесинхронности, можно лишь условно.

Обычно в прикладнойклиматологии применяются логарифми­ческий илистепенной законы изменения скорости свысотой, в них и – средняя скоростьветра на высоте и уровне флюгера, z – расчетная высота,h – высота флюгера,m и z0– параметры. Последние являютсясложной функцией, отражающей суммарноевлияние на профиль скорости ветрашероховатости подстилающей поверхности,термодинамических и других условий,которые отмечались в течение всех летнаблюдений.

Исследование приоритетности логарифмическойили степенной функций для решенияклиматологических задач проводилось с использованиемсредних месячных и годовых скоростей ветра на различных высотах,полученныхпо наблюдениям на высотныхметеорологических мачтах в Останкино иОбнинске и по аэрологическим данным вСухиничах и Долгопрудном. Учитывая не­линейность и многофакторностьзависимости средней скорости от высоты, вкачестве статис­ти­ческой модели использоваласьквадратическая регрессия.Детальноеизучение закономерностейизменения средних скоростей ветра свысотой позволило нам сделать следующие выводы:

  1. Длявосстановления среднего многолетнегопрофиля скорости ветра с высотой можно суспехом использовать как степенную, так илогарифмическую формулы. Тесныестатистические связи между ветровымипараметрами у зем­ли и на высотах 300-метрового слоя(коэффициент детерминированности 0,96-0,98)обусловили надежность и устойчивостькоэффициентов уравнений регрессии.
  2. Точки на графиках влогарифмических (степенная формула) иполулогарифмических (логарифмическаяформула) координатах достаточно тесногруппируются относительно прямой (рис. 4), поэтому дляпостроения ее уравнения (определенияпараметров mи zo) может быть достаточно двухуровней.

Рис. 4. Изменениесредней годовой скорости ветра с высотой влогарифмических и полулогарифмическихкоординатах. Останкино 1970-1977 гг.

Полученные выводыявляются научной основой для оценкипараметров законов изменения среднейскорости ветра с высотой с учетомгеографического местоположения. Используя данные из «Нового аэроклиматическогосправочника пограничного слоя атмосферынад СССР», где приведены средние месячные и годовыескорости ветра на уровне флюгера и высоте100 м за период 1970-1980гг., нами произведен массовый расчетпараметров zo и m в отдельныхпунктах рассматриваемой территории.

Параметры и логарифмической, истепенной формул практически одинаковотесно связаны со средними скоростямиветра на различных высотах(рис. 4), следовательно, междуними может иметься определеннаязависимость. Поэтому вкачестве следующего этапа исследованиянами решалась задача поиска связи междупараметрами zo и m. Результаты расчетов позволили намустановить, что действительно между ними имеется функциональная связь, ноне линейного, а, как выявлено в результатеиспытания различных элементарных функций,параболического характера (рис. 5).

Связь междупараметрами zo и m для всехпривлеченных к исследованию пунктовнаблюдения, практически функциональная.Величина достоверности аппроксимацииR21,поэтому детализировать этусвязь по времени и пространству нетнеобходимости и ее целесообразно длясредних годовых и месячных значенийпринять в виде:

zo =29,1m2 – 6,8m + 0,4.(8)

 Рис. 5. Связь параметровm и zo Выявленная намизависимость, -44

Рис. 5. Связь параметровm и zo

Выявленная намизависимость, позволяет осуществитьоднозначный взаим­ный переход от одного параметра кдругому, а мало физически обоснованномупараметру mпридать физический смысл,выражающийся сложнымобразом черезшероховатость подстилающей поверхности.Кроме того, отметим, что как видно на рис.5, значение параметра m для большогочисла метеостанций можетбыть как выше, так иниже значения 0,2,рекомендованного [РД 52.04.275-89] в качествебазового при расчетах средней скоростиветра на высотах приземного слоя атмосферыс привлечением степенной формулы.

Во многихработах отмечаласьзависимость рассматриваемых параметровzo и mот средней скорости ветра вблизи земнойповерхности (на уровне флюгера) [Борисенко, 1976; Заварина, 1971]. Учитывая это, нами решаласьзадача изучения характера этой связи, сцелью установления научной основыопределения параметров zo иm по среднейскорости ветра только науровне флюгера. Это темболее важно, поскольку позволяет получитьматематические модели изменения скоростиветра с высотой и обеспечить получениенадежных величин ветроэнергетическогопотенциала на требуемой высоте. Сопоставлениезначений рассчитанныхнами zoи m со среднейскоростью ветра на уровне флю­гера позволилоустановить, что между ними так же имеетсядостаточно тесная связь (R2 около 0,94).

Как видно на рис.6, связьмежду параметрами zo,m и vоявно нелинейная. Учитывая, что характерсвязи между mили zo и vо заранее неизвестен, для еематематического представления нами былииспытаны наиболее часто употребляемыеэлементарные функции: степенная,экспоненциальная, линей­ная,логарифми­­ческая и полиномиальная. Врезультате испытаний в настоящей работепоказано, что по величине достоверностиаппроксимации R2 наиболееприемлемой оказываются экспонента, особенно для средних годовыхзначений скорости ветра.

Рис. 6. Связьпараметровzo и mсо средней годовой скоростью ветра на начальномуровне v0

Значения параметровm и z0для средних годовых значений скоростиветра определяют установленные намиэмпирические выражения:

или ,(8)

а для средних месячныхзначений в период с сентября по май:

или (9)

и в период с июня поавгуст:

или , (10)

здесьv – средняя скоростьветра на уровне 10 м.

Коэффициенты уравненийрегрессии (8-10) рассчитаныметодом наименьших квадратов.Достоверность аппроксимации связирассматриваемых величин экспонентой длясредних месячных скоростей ветра составляет 0,92-0,95, аэто свидетельствует о достаточно надежнойих связи.Эти уравнения с учетом уравнения (7) являются основой для решения почтивсех ветроэнергетических задач на любойвысоте приземного 150-200 метрового слояатмосферы.

Используя уравнения(8-10),нами получены расчетные значенияпараметров zo иm длярассматриваемых станций посредним скоростям ветра на уровне 10м ивыполнено сравнение их со значениями,полученными из непосредственныхнаблюдений. Оказалось, в подавляющем числеслучаев (более 80%) различия не превышают 6%относительно наблюденной величины и лишьдля Казаниони возросли до 9-11%. Из этого следует, чтополученные формулы можно достаточнонадежно использовать для расчетапараметров как логарифмической, так истепенной функций изменения среднейскорости ветра с высотой.Оценки нарастания скоростиветра с высотой, полученные внастоящей диссертации, были полностью подтверждены в ходе проведенияизыскательских 8-срочных наблюдений заскоростью ветра на высотах 14 и 59 м наюго-востоке Саратовской области,выполненные с участием автора вмарте-апреле 2004 г.

В качестве следующегоэтапа исследования, нами решена задача поисследованию погрешностей восстановлениясредних месячных и годовых скоростей ветрана высоте 100 м с использованием расчетныхпараметров, оцененных с использованиемформул 8-10.Как оказалось, в большинстве случаев применениеполученных формул позволяет получитьзначения средних скоростей ветра на высоте100 м близкие к наблюденным. Необходимо иметьввиду, что статистические погрешностинаблюденных скоростей ветра составляют0,4-0,6 м/с или 5-10% соответствующих значений,поэтому ошибки менее 10% следует считатьприемлемыми.

Погрешности имеют какположительный, так и отрицательный знак,это отражает колебательный характеротносительно генеральной закономерности Вбольшинстве случаев они при этом,особенно для годовых значений, непревышают 1-3 % и лишь в отдельных случаяхповышаются до 6%, что соизмеримо свеличинойслучайных ошибок. А случайные ошибки, какизвестно, складываются из погрешностейизмерения и расчета статистическиххарактеристик. Все это позволяет считать,что расчетные характеристикилучше отражают изменение среднихзначений скорости ветра с высотой. Этотвывод подтверждается и тем, что наибольшиепогрешности приходятся на наименьшиесредние месячные скорости ветра, а какизвестно, наименьшие значения измеряютсяменее точно.

Дляоценкиветроэнергетическогопотенциала на высотеустановкиветроколесанеобходимо знание закономерностейизменения скоростей ветра с высотой.Разработанная нами методикапозволяет получить принципиальноновое решение этой задачи, в котором обоснована возможностьвосстановленияветрового режима на требуемой высоте по наземнымметеорологическимнаблюдениям.

Вглаве 4сформулирована методикарасчетахарактеристик ветра, необходимыхдля решениязадач оценкипроизводительности,режимаработы ипрочностныххарактеристик ВЭУ в предполагаемомпункте установки. Разработанныев данномдиссертацион­номисследованиистатистическиемоделиклиматологического режима ветра иоцен­­киветроэнергетическихресурсов напроизвольном уровне 150-метрового слояатмосферы, представленнойсистемой уравнений (7) и (8-10) позволяютрешить ихоптимальным образом. Входнымпараметромразработанной модели являетсясредняя месячная или средняя годоваяскорость ветра на открытой ровнойповерхности на высоте 10 м. Для ее определения можноиспользовать средние скорости ветра изсправочников по климату,проинтерполировав их впредполагаемый пункт. К вопросу интерполяциисредней месячной или годовой скоростиветра вблизиземной поверхности дляинтересующегоизыскателя района следует подходить с большойосторожностью.

Известно, чтоскорость ветра в приземном слое воздуха существенноизменяется на близкихрасстояниях под влияниемнеоднородностейподстилающейповерхности,особенно рельефа и крупных водоемов. Методы пространственнойинтерполяции скоростиветра вусловияхнеоднороднойподстилающейповерхности,разработанныев ГГО, позволяют с большойточностьюпрогнозироватьпространственныеизменения средних скоростей ветра на основеданных метеостанций, морфометрическогоанализа местности и обобщенныхданных окоэффициентахизменения скорости вет­ра взависимости от типаместоположения и формырельефа.

Для этого данные поближайшим метеостанциям необходимопривести к сравнимым условиям. Нами за сравнимыеусловия приняты условияоткрытой ровной местности и высота 10 м от земли. Приведениенаблюденной средней многолетней скоростиветра v, к сравнимымусловиям нами выполнено с помощью поправочныхкоэффициентов на открытостьветроизмерительного прибора k1 ивысоту его установки k2:

(11)

где – средняямноголетняя скорость ветра, приведенная ксравнимым условиям.

В России для учетаусловий открытости площадок метеостанцийна местности наиболее совершенной идоступной является классификация В.Ю.Милевского. Она позволяет учитывать нетолько форму рельефа (выпуклая, плоская,вогнутая), наличие затеняющих элементов(зданий, построек, деревьев), но иприсутствие водных поверхностей (озера,моря, океана). Вклассификации степениоткрытости местоположения флюгера по В.Ю.Милевскому определенному классуоткрытости в данных условиях атмосфернойциркуляции соответствуют определенныесредние годовые скорости ветра ивероятности их различных значений [Милевский, 1960]. Порезультатам исследований скоростей ветрав средней полосе ЕТР методическим отделомГГО получены связи между классами флюгеровстанций и скоростными характеристикамиветра.

В качестве поправочного коэффициента наоткрытость k1,учитывающего переход от фактическихусловий местоположения к условиямоткрытой ровной местности, для которойk1=7, нами использовано выражение:

,(12)

где ki– классоткрытости метеостанции в направленииi-того румба,pi –повторяемость ветров этого румба. Оно показывает,что если фактические условия открытостистанции хуже, чем условия открытой ровнойместности (, то поправочныйкоэффициент k1>1, и наоборот.Учитывая это, предлагается в качествеметеостанций-аналогов брать ближайшие насевере и юге, а также на западе и востокеметеостанции и по ним производитьинтерполяцию в интересующую изыскателяточку местности с соответствующими весовыми коэффициентами.

На метеостанцияхрегиона регистрирующие приборы (флюгеры ианемометры) располагаются на высотах от 6до 18 м. Для приведения скоростей ветра кодной высоте (за нее принят уровень 10 м)можно воспользоваться сведениями овертикальном профиле ветра, которыйописывается степенной или логарифмическойфункцией, приведенными вглаве 2. Для этого воспользуемся формулой Величина параметраm находитсяпо формулам (8)-(10).По большинству метеостанций поправочныйкоэффициент на высоту изменяет среднююскорость ветра всего на несколько десятыхдолей метра в секунду. Расчеты показывают, что отличиевысоты ветроизмерительного прибора на ±2 мот уровня 10 м изменяет среднюю скоростьветра всего на 0,1 м/с, поэтому в этомдиапазоне данную поправку можно невводить.

Методыоценки производительности ВЭУ. Как было показановыше, для обоснования использования ВЭУ втом или ином районе можно использоватьзначение средней скорости ветра. Временнойизменчивостью плотностивоздуха вприземном слое обычно пренебрегают,поскольку её вариации не превышают 10%значения плотности воздуха длястандартной атмосферы (1,226 кг/м3). Нарассматриваемой терри­тории средниезначения плотности воздуха, по нашимоценкам, составляют 1,224-1,228 кг/м3. Отклонения отсредней стандартной плотности непревышают 3%.



Pages:     | 1 | 2 || 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.