Экологическая климатология и климатические ресурсы (стр. 14 )

В большинстве случаев ветер оказывает отрицательное воздействие, что тре­бует ветрозащитных мероприятий. Через вентиляцию и инфильтрацию воздуха здания теряют значительное количество тепла.

3.5 Ветроэнергетические климатические ресурсы

Ветроэнергетические климатические ресурсы — ресурсы энергии ветра, ко­торые могут быть использованы для получения электрической энергии.

Оценка ветроэнергетических ресурсов страны или некоторого района пред­ставляет важную задачу, решение которой участвует в перспективном планиро­вании экономического развития данной территории.

Климатическая информация о ветре используется при решении следующих основных задач ветроэнергетики:

- конструировании ветроэнергетических установок (ВЭУ);

- расчете потенциальных, технических и реальных ресурсов и оценке их вклада в общий энергетический баланс;

- выборе типа ВЭУ с учетом его производительности;

- планировании оптимального режима работы ВЭУ;

- разработке схемы рационального размещения ВЭУ.

Основные специализированные показатели ветроэнергетических климатиче­ских ресурсов и диапазон их изменения представлены в табл. 47.

Таблица 47

Диапазон изменения специализированных показателей

ветроэнергетических климатических ресурсов

Показатель	Единица измерения	Минимум	Максимум
Среднее значение куба скорости ветра Повторяемость штилей	(м/с)3 %	15 5	973 30

Потенциальные ветроэнергетические климатические ресурсы рассчитываются по формуле

Р = 0,5 r (V3)ср, (1)

(V3)ср = (Vср)3 (1 + 3сv2 + Acv3), (2)

где Р - удельная мощность ветрового потока, Вт/м2; r — плотность воздуха, г/см3; V и Vcp — соответственно мгновенная и средняя скорость ветра, м/с; сv — коэффициент вариации скорости ветра; А — коэффициент асимметрии распреде­ления скорости ветра.

Если расчеты выполняются для года в целом, то V, cv и А являются характе­ристиками годовой совокупности значений скорости ветра.

Оценка потенциальных ветроэнергетических ресурсов значительно упроща­ется, если полагать, что распределение скорости ветра описывается функцией Максвелла. В этом случае, подставив в формулу (2) значения сv и А, соответст­венно равные для закона Максвелла 0,52 и 0,63, получим, что

(V3)ср = 1,9 (Vср)3 (3)

Примем плотность воздуха при нормальных условиях равной 1,3 • 103 г/см3. Тогда по формуле (1), учитывая выражение (3), можно рассчитать удельную мощность ветрового потока за год.

Общая мощность суммарного (полного) ветрового потока за период времени Т оценивается по формуле

РТ = 0,5r (V3)ср ST (4)

где S — площадь сечения ветрового потока.

Для ориентировочных расчетов удельной мощности ветрового потока Р мо­жет быть использована формула

Р = 1,16 (V3)ср (5)

Для того чтобы каждый раз не обращаться к формулам, полезно определить средние значения скорости ветра (средние годовые или средние месячные), соответствующие некоторым задаваемым значениям удельной мощности ветро­вого потока. Рассчитана таблица значений скорости ветра, соответствующих целым значениям удельной мощности ветрового потока (табл. 48). Определены также значения скорости ветра и удельной мощности ветрового потока для высоты 50 м. Предварительно значения скорости ветра были проэкстраполированы до этой высоты.

Таблица 48

Удельная мощность ветрового потока и соответствующая ей средняя скорость ветра на высотах 10 и 50 м над поверхностью земли

Удельная мощность ветрового потока, Вт/м2	Средняя скорость ветра, м/с	Удельная мощность ветрового потока, Вт/м2	Средняя скорость ветра, м/с
Высота 10 м	Высота 50 м
100	4,4	200	5,6
150	5,1	300	6,4
200	5,6	400	7,0
250	6,0	500	7,5
300	6,4	600	8,0
400	7,0	800	8,8
1000	9,4	2000	11,9

В целом по России экономический потенциал ветроэнергетики оценивается в 16 млн. т условного топлива в год.

Наибольшие ветроэнергетические ресурсы отмечаются на побережье Северно­го Ледовитого и Тихого океанов, а также на Черноморском побере­жье Кавказа. Это объясняется тем, что именно на морском побережье наблюдается наибольшая средняя скорость ветра (6-8 м/с), а повторяемость штилей здесь минимальна (5 %). Удельная мощность ветрового потока в этих районах изменяется от 250 до 600 Вт/м2.

Велики климатические ресурсы этого типа и в областях, расположенных в степной зоне на юге европейской части России. Здесь средняя годовая скорость ветра составляет 4-5 м/с, что соответствует удельной мощно­сти ветрового потока 70-240 Вт/м2, а повторяемость штилей не превышает 10 %.

В центре европейской части России наблюдается довольно пестрая картина значений ветроэнергетических ресурсов. Если область расположена с подветренной части возвышенности, то скорость ветра на ее территории не превышает 3-4 м/с, а ветроэнергетические ресурсы по удельной мощности ветрового потока составляют лишь 30-70 Вт/м2, или 4- 8 у. е. Это относится, например, к Липецкой и Тамбовской облас­тям, которые защищены от преобладающего западного ветра Среднерусской возвышенностью (табл. 49).

Таблица 49

Значения основных специализированных показателей

ветроэнергетических климатических ресурсов

Административно-территориальная единица (область)	Среднее значение куба скорости ветра, (м/с)3	Повторяемость штилей, %	Градация ресурсов , у. е
Тамбовская	122	10	7,55 – 10,05
Липецкая	122	10
Воронежская	122	10
Белгородская	122	10
Курская	122	10

Нужно отметить, что развивать ветроэнергетику целесообразно только в тех районах, где средняя скорость ветра составляет не менее 3-5 м/с. При такой скорости возможно использование ВЭУ малой и средней мощности. При скорости ветра более 7 м/с становится целесообразной установка ВЭУ большой мощности. Для наиболее полного использования ветроэнергетических ресурсов необходимо выбрать оптимально расположенную площадку для строительства ВЭУ. Благо­приятными условиями для ее выбора являются: высокий ветроэнергетический потенциал (средняя скорость ветра более 5 м/с); повторяемость энергетических затиший (v < 3 м/с) 20-30 %; небольшие значения коэффициентов вариации (желательно менее 0,3); отсутствие или малая повторяемость „буревых" (более 20 м/с) и „ураганных" (более 33 м/с) скоростей ветра.

3.6 Гелиоэнергетические климатические ресурсы

Гелиоэнергетические климатические ресурсы — ресурсы солнечной энергии, которые могут быть использованы для получения электрической энергии.

Гелиоэнергетика так же, как и ветроэнергетика, является достаточно традиционным способом получения энергии. В настоящее время она является одним из важных направлений развития современной энергетики.

Специализированные показатели климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций и диапазон их изменения представлены в таблице 50.

Рост показателей 1—5 способствует увеличению гелиоэнергетических ресурсов, а показателей 6—10 — их уменьшению. При анализе совместного влияния всех этих показателей на значение гелиоэнергетических ресурсов наибольший вес придавался показателям 1—6, а оставшиеся четыре рассматривались как дополнительные.

Таблица 50

Диапазон изменения показателей гелиоэнергетических климатических ресурсов по территории России

Показатель	Единица измерения	Минимум	Максимум
1 . Годовая сумма суммарной радиации на горизонтальную поверхность Qгод	МДж/м2	2659	5019
2. Годовая сумма прямой радиации на горизонтальную поверхность Sгод	»	768	2859
3. Годовая продолжительность солнечного сияния SSгод	ч	1040	2397
4. Средняя суточная сумма суммарной радиации за радиационно-теплый период (апрель-сентябрь) Qсут. IV-IX	МДж/м2	13,9	17,8
5. Число часов в среднем за год с мощностью суммарной радиации более 600 Вт/м2 (Q > 600 Вт/м2)	ч	0,0	20,6
6 . Коэффициент вариации годовых сумм суммарной радиации cv	%	4,1	8,5
7. Среднее годовое количество общей облачности nо6щ	балл	5,3	7,4
8 . Среднее годовое количество нижней облачности nниж	«	2,3	5,5
9 . Число дней без солнца	дни	37	137
10. Вклад суммарной радиации за радиационно-теплый период в годовую сумму QIV / Qгод	%	65	94

Прием и преобразование солнечной энергии осуществляются гелиосистемами различного вида:

- термодинамическими солнечными энергетическими установками (СЭУ) в виде плоских и фокусирующих вогнутых коллекторов (фокусирование увеличивает плотность потока энергии);

- фотогальваническими (батареи с фотоэлементом, преобразующим поглощаемую энергию в большей части спектра).

Термодинамические СЭУ с фокусирующим устройством воспринимают только прямую радиацию. В России они используются редко. Коллекторы без фокусирования и фотогальванические воспринимают суммарную радиацию, поэтому для создания и оценки эффективности работы СЭУ необходимы сведения как о прямой, так и о суммарной солнечной радиации, а кроме того, о продолжительности солнечного сияния, так как высокочувствительные фокусирующие системы очень чутко реагируют на временные изменения радиации.

Режим работы СЭУ зависит от целого комплекса гелиофизических парамет­ров, поэтому для решения гелиоэнергетических задач необходимо определить специальные характеристики, учитывающие как хронологический закономер­ный ход солнечной радиации, так и ее случайную изменчивость во времени, связанную с различными атмосферными явлениями.

Наибольшее количество энергии от солнца можно получить, используя сле­дящую за солнцем систему. Такая система увеличивает годовой приход солнеч­ной радиации в среднем на 35 % по сравнению с неподвижной поверхностью, наклоненной на оптимальный для года угол, и на 40 % - на угол, равный широ­те места.

Для конструирования СЭУ необходимо располагать значениями суммарной радиации, поступающей на следящую за положением солнца поверхность, на поверхность, наклоненную на угол, оптимальный для каждого месяца, а также на поверхность, наклоненную на угол, равный широте места. Карты этих видов радиации содержатся в „Атласах ветрового и солнечного климатов Рос­сии". В табл. 51 представлены гелиоэнергетические климатические ресурсы ЦЧО. Наибольшими величинами суммарной и прямой солнечной радиации в регионе отличается Белгородская и Воронежская области.

Таблица 51

Значения основных специализированных показателей

гелиоэнергетических климатических ресурсов

Административно-территориальная единица (область)	Годовая сумма суммарной радиации на горизонтальную поверхность, МДж/м2	Годовая сумма прямой радиации на горизонтальную поверхность, МДж/м2	Градация ресурсов, у. е
Курская	4200	1900	5,05 – 7,55
Липецкая	4000	1900
Тамбовская	4000	2000
Белгородская	4200	2000	12,55 – 15,05
Воронежская	4000	1900

Наименьшие значения суммарной радиации поступают на поверхность, на­клоненную под углом, равным широте места. По территории России они изме­няются от 800 до 1800 кВт × ч/м2 за год. Суммарная радиация, поступающая на поверхность, наклоненную на угол, оптимальный для каждого месяца, составля­ет на территории России от 1000 до 2000 кВт × ч/м2 за год. При следящей за солнцем поверхности Россия получает от 1400 до 2400 кВт × ч/м2 за год. Суточная сумма суммарной радиации, поступающей на наклонные поверхности, описыва­ется выражением

	t2
Qa = S	ò	cosqdt + Da + QA	1- cosa
2
	t1

; (1)