Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности и перспективы энергообеспечения сельскохозяйственного производства Челябинской области 10
1.1. Природные условия и гидрография Челябинской области 10
1.2. Челябинская область как потребитель энергоресурсов 16
1.3 Мировой опыт использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии 24
1.3.1. Использование энергии ветра 25
1.3.2. Использование энергии солнца 34
1.3.3. Использование энергии малых рек 41
1.4. Опыт использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Челябинской области 43
2. Теоретические основы синтеза рационального энергоснабжения сельского хозяйства 48
2.1. Существующие схемы энергоснабжения сельского хозяйства 48
2.2. Постановка задачи о рациональном соотношении между различными источниками энергии при энергоснабжении сельскохозяйственных потребителей .50
2.3. Определение затрат на снабжение сельскохозяйственных потребителей электроэнергией от энергосистемы 54
2.4. Определение затрат на распределение природного газа для сельскохозяйственных потребителей 59
2.5. Определение затрат на теплоснабжение сельскохозяйственных потребителей от местных котельных и теплогенерирующих установок 62
2.6. Определение затрат на энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей от энергии солнца, ветра и энергии, вырабатываемой на электростанциях, расположенных на малых реках и водохранилищах 64
3. Исследование потенциала солнечной энергии в зоне Челябинской области 66
3.1. Состояние вопроса 66
3.2. Определение средних месячных значений солнечной энергии, поступающей на поверхность земли в зоне Челябинской области 70
3.3. Вероятностная оценка продолжительности солнечного сияния 84
3.4. Районирование Челябинской области по ресурсному потенциалу солнечной энергии 94
3.5. Результаты экспериментальных исследований использования энергии солнца в зоне Челябинской области 99
4. Исследование потенциала ветровой энергии в зоне Челябинской области 108
4.1. Общие положения определения кадастровых характеристик скорости ветра... 108
4.2. Составление ветроэнергетического кадастра Челябинской области 115
4.3. Результаты экспериментальных исследований использования энергии ветра в Челябинской области 135
5. Исследование потенциала энергии малых рек в зоне Челябинской области 146
5.1 Основы теории исследования гидроэнергетических ресурсов малых рек 146
5.2. Гидроэнергетическое районирование Челябинской области на основе оценки пространственной однородности гидрологических характеристик малых рек 154
5.3. Конструирование генеральных совокупностей районных стоковых характеристик и оценка их статистических моделей 161
5.4. Гидроэнергетический кадастр Челябинской области 172
5.5. Оценка возможности использования гидроэнергетического потенциала существующих водохозяйственных объектов 180
6. Технико-экономическое обоснование рационального использования энергии солнца, ветра и малых рек в зоне Челябинской области 187
6.1. Оценка экономической целесообразности использования энергии солнца, ветра и малых рек в зоне Челябинской области 187
6.1.1. Оценка экономической целесообразности использования энергии солнца. 189
6.1.2. Оценка экономической целесообразности использования энергии ветра... 192
6.1.3. Оценка экономической целесообразности использования энергии малых рек 195
6.2. Определение рационального соотношения (структуры) между различными источниками при энергоснабжении сельских районов Челябинской области 200
6.2.1. Оценка себестоимости производства и распределения различных видов энергии 200
6.2.2. Существующая структура потребления энергоресурсов районами Челябинской области 205
6.2.3. Исходные условия для решения задачи о рациональном соотношении между различными источниками 207
6.2.3. Результаты решения задачи о рациональном соотношении между различными источниками 209
Основные выводы 218
Список использованной литературы 220
Приложения 241
- Мировой опыт использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии
- Постановка задачи о рациональном соотношении между различными источниками энергии при энергоснабжении сельскохозяйственных потребителей
- Определение средних месячных значений солнечной энергии, поступающей на поверхность земли в зоне Челябинской области
- Составление ветроэнергетического кадастра Челябинской области
Введение к работе
Актуальность темы. Агропромышленный комплекс страны является энергоемкой отраслью народного хозяйства. По разным оценкам, сельское хозяйство России потребляет до 1/3 всего добываемого органического топлива, ограниченность его запасов заставляет ученых искать иные пути удовлетворения потребности агропромышленного комплекса в энергоресурсах.
Как показывает мировой опыт и ряд отечественных исследований, одним из возможных путей решения данной задачи является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии для энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей. По прогнозам ВИЭСХ, в начале XXI века доля нетрадиционных источников энергии в общем энергопотреблении АПК будет эквивалентна около 6 млн. т у.т. [161].
В Челябинской области проблемы обеспечения сельского хозяйства, как и любой другой отрасли, стоят еще острее. Область имеет только бедные месторождения бурых углей и завозит энергоресурсов в восемь раз больше, чем вывозит за свои пределы. Естественно, что она остается дефицитной по электрической энергии, топливу и нефтепродуктам. Наряду с крупными потребителями энергоресурсов (машиностроение, металлургия, ВПК) сельское хозяйство остается заметным потребителем энергоресурсов.
В Челябинской области крайне мал опыт использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Прежде всего это объясняется малой изученностью потенциальной возможности использования в первую очередь энергии солнца, ветра и малых рек для энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей. Кроме того, внедрение нетрадиционных возобновляемых источников энергии сдерживается из-за отсутствия методики выбора рационального соотношения между различными источниками энергии в общем энергобалансе региона или предприятия. Отдельные исследования в основном направлены на сопоставление того или иного нетрадиционного источника с конкретным традиционным. Однако возможность использования нетрадиционного возобновляемого
источника энергии можно оценить только при совместном рассмотрении традиционных и нетрадиционных источников. Эта проблемма изучена очень слабо.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование возможности рациональной доли замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, ветра и малых рек при энергоснабжении сельскохозяйственных потребителей на примере Челябинской области.
Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследования:
- определить гелиоэнергетический, ветроэнергетический ресурс и потен
циальные гидроэнергетические ресурсы малых рек и водохранилищ Челябин
ской области;
выполнить районирование Челябинской области по ресурсной интенсивности энергии солнца, ветра и малых рек;
разработать методику синтеза рациональной структуры энергопотребления различных энергоресурсов, включая нетрадиционные возобновляемые источники энергии;
определить рациональную структуру энергопотребления основных сельских районов Челябинской области.
Объект исследования. Объектом исследования являются нетрадиционные возобновляемые источники энергии, а также сельское хозяйство Челябинской области в аспекте энергопотребления.
Предмет исследования. Предметом исследования является закономерности, связывающие интенсивность нетрадиционных возобновляемых источников энергии с местными метеорологическими и гидрологическими условиями, а также установление условий замещения традиционных энергоресурсов энергией солнца, ветра и малых рек.
Научная новизна. Научная новизна исследования состоит в следующем:
- впервые разработан метод создания рациональной структуры энергопо
требления различных энергоресурсов, включая нетрадиционные возобновляемые
источники энергии;
оценен потенциальный ресурс и определены статистические характеристики солнечной энергии в регионе в функции продолжительности солнечного сияния;
впервые получены статистические характеристики скорости ветра в регионе и разработаны математические модели внутримесячной выработки энергии ветроэнергетическими установками;
оценены гидроэнергетические ресурсы и статистические характеристики стока малых рек и водохранилищ неэнергетического назначения;
выполнено районирование территории Челябинской области по интенсивности энергии солнца, ветра и малых рек;
составлена рациональная структура энергоресурсов для каждого района Челябинской области.
На защиту выносятся:
методика синтеза рациональной структуры энергопотребления на основе использования метода линейного программирования;
оценка интенсивности солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, по продолжительности солнечного сияния и полезной солнечной энергии с учетом обеспеченности солнечного сияния в течение месяца;
оценка внутримесячной выработки энергии ветроэнергетическими установками и методика районирования Челябинской области по величине ветроэнергетического потенциала;
методика районирования территории по гидроэнергетическому потенциалу на основе пространственного изменения параметров распределения характеристик стока малых рек.
Практическая значимость и реализация работы. 1. Подсчитана удельная полезная энергия ветра и солнечная энергия для различных территорий области. Определен технический потенциал энергии малых рек и водохранилищ. Составлены карты-схемы Челябинской области, позволяющие для каждого из выделенных районов оценивать удельную полезную энергию солнца, ветра и малых рек. Полученный материал в виде математиче-
ских зависимостей, таблиц, графиков и прикладных программ является основой для проектных и инженерно-технических разработок использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в зоне Челябинской области.
2. Для каждого административного района Челябинской области определена
рациональная структура потребления основных энергоресурсов. Показано место
нетрадиционных возобновляемых источников энергии в этой структуре и воз
можность за счет них снижения потребления традиционных энергоресерсов до
9%.
Разработанная методика определения рациональной структуры энергопотребления позволяет решать целый класс задач, связанных с ограничениями при потреблении некоторых энергоресурсов, перспективным планированием, замещением одного источника энергии на другой и т.п.
На основе выполненных исследований подготовлено учебное пособие и разработан курс «Возобновляемые источники энергии», который читается в течение пяти лет студентам, обучающимся в ЧГАУ по специальности 31.14.00 - электрификация и автоматизация сельского хозяйства.
На основании проведенных исследований была спроектирована и построена экспериментально-производственная гелиоветроэнергетическая установка, которая эксплуатировалась в течение пяти лет в совхозе «Калининский» Брединского района Челябинской области.
Методика определения рациональной структуры энергопотребления внедрена в «Челябагропромэнерго» и «Башкирэнерго».
Частные методики по оценке поступления энергии солнца, ветра и стоковых характеристик малых рек внедрены в институте «Челябагропромпроект» и территориальном центре гидрометеослужбы г. Челябинска.
Работа выполнена в соответствии с общесоюзной отраслевой программой 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства» и перечнем республиканских целевых программ п. 29 «Разработать основные направления долгосрочной федеральной технической политики, систему энергетического обеспечения, развития автоматизации производства и экономии энергетических средств в сельскохозяйствен-
ном производстве России» (приказ № 10 от 17.03.95 г. по Главному управлению вузов Минсельхозпрода России).
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научных конференциях ЧГАУ (ЧИМЭСХ) (г.Челябинск, 1985-1999гг.); на научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1988, 1991 гг.); на координационном совещании по выполнению научно-технической программы 0.51.31 на тему «Проблема рационального использования топливно-энергетических ресурсов в агропромышленном комплексе страны» (г. Москва, 1988 г.); на координационном совещании по выполнению научно-технической программы 0.51.13 на тему «Разработка и внедрение энергосберегающих технологических процессов, машин и оборудования, осуществление организационно-технических мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов» (г. Армавир, 1989 г.); на всесоюзном научно-техническом семинаре «Перспективы применения нетрадиционных источников энергии в агропромышленном комплексе» (г. Симферополь, 1989 г.); на республиканской научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Киев, 1990 г.); на научно-практической конференции «Использование солнечной энергии в народном хозяйстве» (г. Ташкент, 1991 г.); на научной конференции Азово-Черноморского института механизации и электрификации сельского хозяйства (г. Зерноград, 1991 г.); на всесоюзном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные электротехнологии в сельскохозяйственном производстве и быту села» (г. Кацивели, 1991г.); на международной конференции «Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК» (г. Минск, 1997 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 30 научных работах, в том числе учебном пособии (с разрешительным грифом Главного управления МСХ РФ), и в научных отчетах о НИР.
Мировой опыт использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии
В последние годы практически во всех странах мира наращивается выработка электрической и тепловой энергии на базе нетрадиционных возобновляемых источников энергии - солнечной, ветровой, геотермальной, энергии малых водных потоков (малых рек); использования биомассы и др. В настоящее время абсолютная величина выработки энергии от подобных источников невелика. Так, в энергобалансе России в 1995 году на ее долю приходилось менее 2 %. В мире величина выработки энергии от нетрадиционных возобновляемых источников должна вырасти с 0,4 % (1990 г.) до 1,0 % (2000 г.) от общего количества энергии. Несмотря на столь малый объем, для некоторых регионов, особенно оторванных от энергосистем, подобные источники энергии - единственный путь обеспечения местных инфраструктур электричеством и теплом. Кроме того, развитие нетрадиционной энергетики связано с постоянным удорожанием и истощением традиционных энергоресурсов - нефти, газа, угля, обострившимися проблемами экологии, необходимостью надежного и эффективного энергоснабжения отдаленных, труднодоступных и специфических потребителей. В России имеется целый ряд отдаленных регионов, которые не присоединены к централизованной системе энергоснабжения. Там проживает около 20 млн.. человек, а электроэнергия вырабатывается в основном на дизельных энергетических установках с использованием дорогого привозного топлива. К тому же, в последние десятилетия одной из насущных проблем стало энергоснабжение крестьянских (фермерских) хозяйств. Только в Челябинской области насчитывается более 5500 таких хозяйств. Энергоснабжение большинства из них заключается в обеспечении электроэнергией и теплом жилого дома (или нескольких домов) и производственной базы. Нагрузка фермерского хозяйства относительно мала, но, как правило, для подключения к энергосистеме требуется строительство высоковольтной линии электропередачи и понизительной подстанции.
Потенциальные возможности использования нетрадиционных возобновляемых источников как в России, так и в Челябинской области достаточно велики. Однако для эффективного их использования требуется умение рассчитать возможности выработки энергии от подобных источников в любой точке района, а также прогнозировать экономическую целесообразность выработки энергии возобновляемыми источниками по сравнению с использованием органического топлива.
В настоящее время сложилось единое мнение, что ветер как источник энергоресурсов переходит из разряда прогнозируемых в разряд реальных источников, способных вносить определенный вклад в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) страны.
Технический потенциал выработки электроэнергии ветроэнергетическими установками (ВЭУ) в мире составляет 20000 ТВт-ч в год [261]. Мощность ВЭУ в мире достигла 2700 МВт, количество ветроагрегатов и установок различных конструкций и назначения превышает 2,4 млн. [26, 216]. Реальные возможности ВЭУ составляют 11... 13 % всех возобновляемых источников энергии и в перспективе смогут покрыть до 3% общего энергопотребления [258]. В мире наметилась тенденция к заметному использованию ветроэнергетического потенциала в ТЭБ, увеличению единичной мощности ветроагрегатов с одновременным совершенствованием их конструкции: уменьшение массы лопастей в несколько раз и возрастание прочности, полная автоматизация управления ветро-агрегатом (ВА), групповое размещение ВЭУ в виде станций, продвижение подобных комплексов в шельфовую зону морей [70]. Исследуется возможность интеграции ВЭУ в европейскую энергосистему в объеме более 20 % от общего производства электроэнергии [213], рассматривается возможность получения электролизного водорода с применением ВЭУ. Общие ветроэнергоресурсы в Европе оцениваются в 1436 МВт электрической мощности на ветродвигателях, что соответствует производству 4655 ТВт-ч/год. По самым заниженным оценкам, возможна годовая выработка 350 ТВт-ч. Прогноз перспективного развития ВЭУ к 2000 году показывает, что ежегодный прирост ВЭУ может составить 1 тыс. МВт. К 2030 году реально получение суммарной мощности 100 тыс. МВт, при которых ВЭУ будут покрывать 10% энергопотребления Европы [193].
Лидером европейской ветроэнергетики является Дания, где 3436 ВЭУ мощностью 454,5 МВт производят 1000 млн. кВт-ч/год электроэнергии [99, 205]. К 2000 году их мощность должна быть доведена до 1500 МВт.
Потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в старых и новых землях Германии для производства электрической и тепловой энергии оценивается в 113...478 ТВт-ч электроэнергии и от 460 до 788 ТВт-ч/год тепловой энергии. Мощности ВЭУ Германии составляют 230 МВт при годовом производстве электроэнергии 450 млн. кВт-ч [205]. Лидерские позиции занимает земля Шлезвиг-Гольштейн. Энергия ветра используется в регионах, где скорость ветра превышает 4 м/с, в основном на северном побережье страны. При этом основной упор делается на ВЭУ мощностью 80 кВт (малые), 300 кВт (средние) и 1200 кВт (крупные). Технически возможный потенциал таких ВЭУ составляет (тВт-ч/год): 104, 118 и 128 [203]. С учетом реальных условий на ВЭУ может быть выработано от 14 до 83 ТВт-ч электроэнергии. Нижний предел обеспечивается без создания дополнительных устройств аккумулирования электроэнергии. Верхний предел требует создания специальных устройств для параллельной работы ВЭУ.
По оптимистическим оценкам, в Германии к 2000 году ожидается получить установленную мощность ВЭУ 3200...4000 МВт с годовой выработкой энергии 10...12 тВт-ч, что покроет 1,3% энергопотребления страны [262]. Теоретический ветровой потенциал прибрежных зон, пригодных для строительства ВЭУ, составляет 27 ГВт [248]. В 1995 году в стране работало 3675 ВЭУ, на 1058 больше, чем в 1994 году. Суммарная установленная мощность ВЭУ составила 1150 МВт, что сопоставимо с мощностью больших ТЭС или АЭС. В 1995 году в Германии впервые были построены ВЭУ мегаваттного класса. В 1996 году установленная мощность ВЭУ увеличилась до 1100 МВт.
Постановка задачи о рациональном соотношении между различными источниками энергии при энергоснабжении сельскохозяйственных потребителей
Сельскохозяйственные потребители в принципе могут получать энергию по любой из рассмотренных ранее схем энергоснабжения. С точки зрения получения конечного эффекта не имеет значения, будет ли, например, животноводческое помещение отапливаться от тепловой станции или от электрокалорифера, получающего электрическую энергию от электростанции, местной ДЭС или ветроэнергетической установки. Однако в каждом из этих случаев будут различные затраты на получение единицы полезной энергии. Следовательно, эта разница приведет к разной себестоимости производимой в этом животноводческом помещении продукции. Поэтому с точки зрения как отдельного потребителя, так и предприятия, группы предприятий и в целом отдельного района может быть наиболее предпочтительным один источник энергии или группа источников, обеспечивающих потребителей данного района энергией в определенном процентном соотношении. В этом случае можно ожидать равнозначное получение конечного эффекта (с точки зрения производственного процесса) при минимальных затратах, связанных с энергоснабжением.
Большое возможное сочетание различных схем энергоснабжения и сочетаний долей энергоснабжения от того или иного источника затрудняет поиск оптимального решения эмпирическим или экспертным путем.
Теоретическая постановка задачи состоит в следующем.
Имеется m источников энергии (Аь.-, Ат) и п потребителей этой энергии (Вь..., Вп). Заданы объемы производства энергии каждым источником ai и величина спроса (потребления) каждым потребителем bj (в общем случае под потребителем имеется в виду конкретный технологический процесс, предприятие или какой-либо район). Целью исследования в данной задаче является определение оптимальных потоков энергии (x,j) от каждого источника к каждому потребителю. Если найти издержки (су) на доставку того или иного вида энергии А; до Bj, то данную задачу можно свести к распределительной задаче линейного программирования [39, 67]. В качестве целевой функции будет выступать сумма затрат на передачу всех видов энергии всем потребителям и суммарный технологический ущерб, обусловленный уровнем надежности источников (Z): где у у -величина удельного ущерба при энергоснабжении j-ro потребителя от i-го источника.
Введем вместо второго слагаемого коэффициент ку 1,0, учитывающий технологический ущерб. Тогда целевую функцию можно записать:
При этом оптимизация данной задачи будет происходить при ограничениях: условия полного удовлетворения каждого потребителя энергиями от различных источников энергия, произведенная каждым источником для данных потребителей, должна быть доставлена к этим потребителям количество передаваемой энергии - неотрицательные числа. Передача энергии от одного потребителя к другому исключена kjj = 1,0 при нормированной надежности.
Условия полного удовлетворения каждого потребителя энергиями различных видов (2.2) не всегда, особенно в настоящее время, можно выполнить. Это связано в первую очередь с различными режимными ограничениями на поставку электрической, тепловой энергии и газа от централизованных источников, включая отсутствие энергоресурсов (главным образом угля, нефтепродуктов) на базах и складах топлива. Часть потребителей в принципе не может получать энергию от определенных источников, например, газ - в отсутствие в данной местности газовых сетей, тепловую энергию от электростанции при значительном удалении от нее потребителя. Кроме того, могут возникать ограничения, определяемые, с одной стороны, пропускными способностями схемы энергоснабжения для традиционных источников энергии, с другой стороны, - возможностью выработки энергии в требуемый промежуток времени нетрадиционными возобновляемыми источниками. Под пропускной способностью схемы энергоснабжения понимается ограничение по возможности передачи электрической, тепловой энергии или газа по соответствующим сетям, а также возможности приобретения и перевозки органического топлива дли питания местных энергетических установок.
С учетом перечисленного ограничения, связанные с невозможностью удовлетворения полного спроса, пропускными способностями схем энергоснабжения и цикличностью выработки энергии НВИЭ, можно записать в виде где dij - предельное количество энергии, которое может быть передано ОТ А; К Bj за рассматриваемый промежуток времени. В общем случае это может быть месяц, сезон, год.
Ограничения по использованию НВИЭ, прежде всего, будут зависить от возможности замещения того или иного традиционного источника или его доли на нетрадиционный (подробнее см. раздел 6). В результате поиска решения согласно условию (2.1) получается оптимальный баланс энергоресурсов региона (производственного объекта). От него можно перейти к решению многих других задач. Например, определение количества i-x НВИЭ в j-ом регионе. В конечном счете поставленную задачу удобно представить в виде следующей таблицы (табл. 2.1).
Определение средних месячных значений солнечной энергии, поступающей на поверхность земли в зоне Челябинской области
На территории Челябинской области и соседних областей и республик Урала расположено 20 метеорологических станций, регистрирующих продолжительность солнечного сияния (табл. 3.1). На рис. 3.1 показано их расположение (номера станций на этом рисунке соответствуют их номерам в табл. 3.1).
Как видно из рис. 3.1, Челябинская область, с ее огромной территорией, не имеет ни одной актинометрической станции. Следовательно, по Челябинской области ни в одном справочнике или ежемесячнике нельзя найти данные по величине поступающей солнечной энергии. В данном случае можно воспользоваться косвенным, расчетным методом, позволяющим на основании промежуточной величины, регистрируемой всеми метеорологическими станциями, рассчитать значение солнечной энергии. Для зоны Челябинской области этой величиной может служить продолжительность солнечного сияния [141].
Для косвенного расчета существует целый ряд эмпирических формул [13]. Отдельные формулы были предложены, в частности, для Украины и Молдавии [37], Забайкалья [68], Северо-Запада России [13], Польши [100].
Предварительный анализ существующих эмпирических формул [141] позволил отобрать для последующей проверки формулы, предложенные Онгост-ремом [13], Украинцевым [169], Гловером и Блэком [100], с целью использования в условиях Южного Урала: Н0 - солнечная энергия, поступающая на границу атмосферы земли - солнечная постоянная, МДж/м ; S - действительная продолжительность солнечного сияния, ч; So - возможная продолжительность солнечного сияния, определяемая как продолжительность времени между восходом и заходом солнца, ч; а и b - коэффициенты регрессии, показывающие связь между относительной суммарной солнечной энергией и относительной продолжительностью солнечного сияния. Выбор выражения, наиболее адекватно отражающего связь между суммарной солнечной энергией и продолжительностью солнечного сияния можно сделать только на основании анализа статистического материала.
Этот материал был собран по четырем актинометрическим станциям региона с глубиной проработки 20...25 лет (прилож.1...8). Аналогичным образом собран статистический материал по продолжительности солнечного сияния по всем 20 метеостанциям в соответствии с рис. 3.1. Среднесуточные значения суммарной солнечной энергии и продолжительности солнечного излучения за исследуемый промежуток времени для четырех актинометрических станций приведены в табл. 3.2.
Полученные статистические материалы позволили рассчитать неизвестные коэффициенты в формулах (3.1...3.4) по всем четырем метеостанциям для каждого месяца года (см.табл.3.3). Формула Онгстрема давала расхождение между расчетными и опытными значениями для разных месяцев от 15 до 84%; формула Гловера - от 3 до 13%; формула Украинцева - от 1 до 41%. Только применение формулы Блэка позволило получить погрешность в расчетах в пределах инженерной точности (табл. 3.4), поэтому было решено принять для использования в зоне Челябинской области формулу Блэка.
Как видно из табл. 3.3, значения коэффициентов а и Ь имеют разную величину для одних и тех же месяцев по различным метеостанциям. Для расчета величины солнечной энергии в зоне Челябинской области в этом случае можно воспользоваться вариантами - разделить область на четыре зоны и в каждой зоне пользоваться данными ближайшей метеостанции либо для каждого месяца найти одну пару коэффициентов а и Ь.
При применении первого варианта возникают проблемы, связанные с месторасположением метеостанций. Так, метеостанция Кушнаренково отделена от области Уральскими горами. Поэтому очень трудно установить границы «действия» той или иной метеостанции.
При использовании второго варианта самый простой путь - определить средние значения коэффициентов для каждого месяца и принять их за исходные значения при расчете в зоне Челябинской области. Любое усреднение вносит определенную погрешность. Для северных районов области расчетное значение для января месяца составляет 2,41 МДж/м вместо 2,24 МДж/м (см.табл.3.2). Для южных районов, находящихся в зоне метеостанции Рудный, расчетные значения составили 4,75 МДж/м2 вместо среднего значения по многолетним наблюдениям 3,51 МДж/м2. Для западных районов (зона метеостанции Кушнаренково) расчет-ные значения составляют 1,73 МДж/м против 2,41 МДж/м (по многолетним наблюдениям). Для восточных районов (зона метеостанции Памятная) получены значения 3,02 и 2,63 МДж/м2 соответственно. Среднее расчетное значение по четырем метеостанциям составит 2,98 МДж/м2. Ошибка в расчете по среднему зна-чению по многолетним наблюдениям (2,70 МДж/м ) составляет 10,4%.
Составление ветроэнергетического кадастра Челябинской области
Для составления ветроэнергетического кадастра Челябинской области были собраны и проанализированы первичные материалы метеорологических станций области и близлежащих регионов по измерению скоростей ветра на 10-летний период.
Результаты обработки приведенного материала о среднегодовых скоростях ветра (рис. 4.1) показывают, что колебания среднего уровня скорости ветра от года к году в Челябинской области незначительны. Коэффициент вариации среднегодовых скоростей ветра колеблется в пределах 7.. .22% [85, 126].
Статистические характеристики скорости ветра зависят от особенностей местных условий: рельефа, высоты поверхности земли над уровнем моря, близости водоема, жилых и промышленных объектов, характера растительности и др. Так, в горных районах на открытых вершинах Уральского хребта, на ветреных и параллельных ветру склонах вариации скоростей ветра незначительны и составляют 7.. .8%, в степной зоне они возрастают до 10%.
В технико-экономических задачах при сопоставлении различных регионов целесообразно выявлять территории, имеющие близкие (в данном случае по ветровым нагрузкам) признаки. Это позволит разделить область на ряд районов (не равных территориальному делению), которые, не имея значительных отличий в ветровых нагрузках внутри себя, будут значимо разниться между собой. Исходными параметрами для выполнения районирования служили значения средней годовой многолетней скорости ветра, приведенные к условиям открытой местности на плоских или выпуклых формах рельефа (класс открытости по В.Ю. Милевскому от 6 б и выше) на высоте 10 м от поверхности земли.
Первоначально территория области была разделена на четыре района (со значимыми различиями ветровых нагрузок), внутри которых размах колебаний составил 1 м/с. Последующий анализ режима ветра в каждом районе позволил определить характерную станцию, у которой статистические коэффициенты вариации и асимметрии были близки к средним значениям по району. На рис. 4.2 приведены гистограммы распределения скорости ветра, сгруппированные по переходе от одного ветрового района к другому происходит изменение коэффициента вариации в среднем на 10%. Коэффициент асимметрии в первых двух районах также изменяется, кривые распределения скорости ветра имеют отрицательную косость, в первом районе она выражена сильнее: Са=-0,96, во втором районе Са=-0,32, в третьем - коэффициент асимметрии положителен (Са=1,22), в четвертом районе косость не наблюдается - Са=0. В годовом ходе коэффициент несимметрии также претерпевает изменения. Причем в теплый период года происходит смещение фактического ряда распределения в левую сторону, то есть в область повторяемости низких скоростей.
Таким образом, различие статистических характеристик ветрового потенциала (оценка средних значений) по сути дела приводит к районированию территории области по ветроэнергетическому потенциалу. Этот факт косвенно подтверждает выдвинутую гипотезу о наличии четырех районов со значимыми различиями ветровых нагрузок. Известно, что средние многолетние значения скорости ветра возрастают с высотой измерения над поверхностью земли. Это подтверждается и данными по Челябинской области (рис. 4.3). В табл. 4.2 приводятся значения коэффициента кн=(Н/п)т, который определяет приращение скорости ветра по мере увеличения высоты измерения. По этой характеристике также видна разница между четырьмя обозначенными районами.
Годовой ход скорости ветра в рассматриваемых районах показан на рис. 4.4. Для первого района (горный рельеф) скорость ветра в зимние месяцы в 1,5...1,7 раза выше, чем в летние. Для второго (степного) и третьего (лесостепного) районов это различие уже не так существенно и по абсолютному значению не превышает 1 м/с.
Суточный ход средних скоростей ветра относительно одинаково проявляется для всех районов Челябинской области .
