Енергетичні ресурси України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Просторово-часовий розподіл вітроенергетичних ресурсів за фізико-географічними областями України

Друга точка зору підтримує використання середніх показників швидкості вітру. Таку позицію займають більшість виробників вітроустановок, тому застосовують їх для аналізу роботи своїх вітроустановок [8, 9].

На даному рівні досліджень ми пропонуємо користуватись другою точкою зору через такі причини:

Використання показників середньодобової, середньомісячної або середньорічної швидкостей вітру може дати тільки наближену оцінку через те, що розподіл швидкості вітру за часом не підпорядковується повністю закону Гауса. Проте використання інших показників швидкості вітру, зокрема їх повторюваності, якщо вони базуються на метеоданих, також виходять із показника середньої швидкості вітру, що береться за інтервал 10 хвилин через кожні 3 години 8 разів на добу. Такий показник за будь-яких методів використання може дати тільки наближену оцінку.

Для вітроенергетичних ресурсів характерні значні міжрічні та міжмісячні зміни протягом різних років: річні дійсні вітроенергетичні ресурси можуть змінюватись на величину до 20 %. Тобто характерними є значні річні коливання вітроенергетичних ресурсів, через що неможливо збільшити точність їх розрахунків.

Кліматологічний сенс середніх величин полягає у тому, що «багаторічні середні значення елементів клімату можна розглядати як багаторічні суми впливу тих або інших факторів: сума сонячної радіації, сума кінетичної енергії вітру» [10, с. 6.]. А в довгостроковій перспективі нас цікавлять саме суми виробітку енергії ВЕУ за різні періоди, а не поточні значення величин потужності вітроустановок.

Для проведення географічного аналізу просторово-часового розподілу вітроенергетичних ресурсів було розраховано їх місячні та річні значення для фізико-географічних областей України {рис. 3.4).

Розподіл вітроенергетичних ресурсів спричинений як чинниками атмосферної циркуляції, так і'властивостями підстилаючої поверхні. До перших можна віднести показники інтенсивності циклонічної діяльності та баричного градієнта, з найбільшими значеннями яких мають бути пов'язані максимальні середні швидкості вітру та відповідно ВЕР території. З огляду на останні, властивості підстилаючої поверхні можуть бути охарактеризовані гіпсометричною будовою території та шорсткістю підстилаючої поверхні, що визначаються її відносними висотами та показником розчленованості рельєфу, лісистістю території тощо.

У зоні мішаних лісів Україні ВЕР є порівняно найменшими (у середньому -- приблизно 800 кВт год/рік, що спричинене її характерними природними властивостями (низовинний рельєф, значна лісистість території (близько 30 %):,густа гідрологічна мережа, розлогі річкові долини). Крім того, більша частина радіаційного тепла природної зони (60-70 %) витрачається на випаровування, відповідно менша -- на турбулентний обмін. Остання величина у цій природній зоні є найменшою для теренів України.

Для Поліського краю характерні також деякі неоднорідності у розподілі вітроенергетичних ресурсів. Так, середній розрахунковий виробіток енергії ВЕУ-075 розподіляється у такий спосіб. Найбільші значення притаманні Житомирському Поліссю (970 кВт -год/рік). Вони спричинені його більш високим гіпсометричним положенням щодо інших фізико-географічних областей Поліського краю. Найменші значення притаманні Київському Поліссю (670 кВт год/рік), що пояснюється більш значною лісистістю даної фізико-географічної області. Деяке підвищення вітроенергетичних ресурсів спостерігається у Чернігівському Поліссі як області з найменшою лісистістю порівняно з іншими областями Поліського краю (близько 15 %), а також у Волинському Поліссі. Тут діє інший чинник, саме підвищена інтенсивність циклонічної діяльності, особливо у зимовий період.

У зоні широколистих лісів та у виділеному в межах України Західно-Українському краї ВЕР у середньому є більшими за Поліський край та складають близько 850 кВт год/рік за рік. Останнє викликане височинним характером рельєфу та особливостями розподілу полів атмосферного тиску -- саме високими значеннями баричних градієнтів. Найбільшою величиною досліджуваних ресурсів (через найменшу лісистість території --' 9 %.) характеризується Волинське Опілля -- 1090 кВт год/рік, Північно-Подільська височинна область -- 1010 кВт-год/рік, що визначається відкритістю території через незначну лісистість, а також найбільшою середньою абсолютною висотою області серед інших фізико-географічних областей Європейської рівнинної ландшафтної країни. Фізико-географічні області Розточчя та Опілля -- Західно-Подільська та Прут-Дністровська -- характеризуються середніми показниками ВЕР 810-830 кВт-год/рік у Західно-Українському краї. Найменший показник притаманний Малому Поліссю 730 кВт год/рік, яке характеризується найбільшою лісистістю у цьому краї.

Для Лісостепової зони України ВЕР в середньому приблизно складають 950 кВт год/рік, причому найбільші значення припадають на Східно-Український лісостеповий край, що знаходиться на південно-західних відрогах Середньоросїйської височини, у якому розрахунковий річний виробіток вітроустановки у Сумському височинному лісостепу складає 1210 кВт год/рік, а Харківському височинному лісостепу -- 1360 кВт год/рік.

Менші значення ресурсів спостерігаються у Лівобережно-Дніпровському лісостеповому краї: найменші вони у Північно-Полтав-ській підвищеній області, найбільші -- у Південно-Дніпровській терасово-низовинній області та у Південно-Полтавській підвищеній області. Такий розподіл вітроенергетичних ресурсів у краї викликаний просторовою структурою полів атмосферного тиску та мінімальними значеннями баричних градієнтів, зокрема у Північно-Полтавській підвищеній області.

У Дніпровсько-Дністровському лісостеповому краї, що характеризується найбільшою лісистістю та розчленованістю рельєфу, вітроенергетичні ресурси є найменшими у Лісостеповій зоні. Розрахунковий виробіток ВЕУ в межах краю за фізико-географічними областями змінюється незначно. Понижені значення припадають на Придніпровсько-Східно-Подільську та Центрально-Придніп-ровську області, що викликане вищевказаними факторами, які тут є найбільш вираженими.

У Степовій зоні України ВЕР є найбільшими -- у середньому складають понад 1300 кВт год/рік. Головними причинами цього є низька шорсткість підстилаючої поверхні, через те що близько 80 % території степової зони займають сільськогосподарські угіддя, переважно рілля, та значна інтенсивність турбулентного обміну, на який витрачається більша частина радіаційного тепла природної зони.

За вітроенергетичними ресурсами, степова зона характеризується значною неоднорідністю. У межах Північностепової підзони знаходяться фізико-географічні області як з максимальними значеннями, вітроенергетичних ресурсів, так і з мінімальними у межах зони. Так, для Задонецько-Донського північностепового краю, який відзначається найбільшим показником лісистості території в межах степової зони, значною розчленованістю рельєфу та через його затінення з Півночі та Півдня Середньоросійською височиною та Донецьким кряжем відповідно, розрахунковий виробіток енергії є найменшим (для ВЕУ-075-795). Навпаки, у районі Приазовської височини у Приазовській височинній та Приазовській низовинній областях ВЕР є одними з найбільших серед фізико-географічних областей України та складають, відповідно, 1740 кВт год/рік та 2090 кВт год/рік, що спричинене багатьма факторами: близькістю до моря, особливостями гіпсометричної будови, підвищеною циклонічною діяльністю протягом весняного та літнього періодів.

У Донецькому північностеповому краї значення досліджуваних ресурсів також є високими, особливо у Донецькій височинній області -- 1400 кВт год/рік через особливості гіпсометричної будови та підвищену інтенсивність циклонічної діяльності у літній період. Менші, проте високі значення розрахункового виробітку енергії -- 1310 кВт год/рік та 1240 кВт год/рік -- припадають, відповідно, на Швденно-Придніпровську схилово-височинну та Кінсько-Ялинську низовинну області. Значне зниження ВЕР припадає на Орільсько-Самарську низовинну область -- 1030 кВт-год/рік та, зокрема, на Південно-Подільську та Південно- > Молдавську схилово-височинні області, на яких протягом більшої частини року число днів з циклонічною діяльністю є найменшим.

У Середньостеповій підзоні вітроенергетичні ресурси за областями змінюються незначною мірою та складають: у Задністровсько-Причорноморській низовинній області 1010 кВт-год/рік, у Дніст-ровсько-Бузькій низовинній області -- 1230 кВт-год/рік, Бузько-Дніпровській низовинній області -- 1150 кВт-год/рік, Дніпровсько- \ Молочанській низовинній області -- 1210 кВт-год/рік та Західно-Приазовській схилово-височинній області -- 1140 кВт-год/рік.

Найбільші ВЕР у межах рівнинної території країни припадають на Південностепову підзону. У межах Причорноморсько-Приазовського сухостепового краю досліджувана величина змінюється від 1390 кВт-год/рік у Нижньодніпровській терасово-дельтовій області до 1480 кВт год/рік у Нижньобузько-Дніпровській та Присивасько-Приазовській низовинних областях. У Кримському степовому краї у середніх областях Кримської рівнини -- Кримсько Присиваській-низовинній сухій та Центральнокримській рівнинній областях -- розрахунковий виробіток складає 1330 кВт-год/рік. У Тарханкутській височинній області -- 1800 кВт-год/рік, а у Керченській пасмово-горбистій області -- навіть 2150 кВт-год/рік, що є найбільшою величиною для Європейської ландшафтної країни в межах України та спричинене унікальним положенням Керченського півострова між Азовським та Чорним морями та горбистим рельєфом.

Для всіх фізико-географічних областей України характерна однотипна динаміка місячних вітроенергетичних ресурсів: максимальні значення припадають на зимовий період, мінімальні -- на літній. Проте існують деякі особливості просторово-часового розподілу місячних ресурсів, які є важливими для використання гібридних геліо-вітроенергетичних систем, через те що динаміка місячних розрахункових сум виробітку сонячними батареями має значно меншу просторову диференціацію. Останнє вимагає використання індивідуальних особливостей динаміки ВЕР кожної фізико-географічної області.

Для степової природної зони характерні максимуми досліджуваного ресурсу у лютому, що найбільш яскраво є вираженими у Лівобережно-Дніпровсько-Приазовському та Донецькому північ-ностепових краях, що пов'язано з найбільшим впливом відрогів Сибірського антициклону у цей період. Також важливим є те, що на початку року у січні та лютому ВЕР є значно більшими за ті ж ресурси наприкінці року у листопаді, грудні, що проявляється в межах всієї Степової природної зони, окрім Дністровсько-дніпровського північностепового краю. Різниця таких ресурсів складає від 80 кВттод у Приазовській низовинній області до 10 кВт год у Задніпровському низовинному степу.

Для Лісостепової зони значення досліджуваних ресурсів протягом зимового періоду змінюються незначною мірою, окрім Південно-Дніпровської терасово-рівнинної області з яскраво вираженим максимумом у лютому. У Західно-Українському широколистяному краї розподіл максимумів у зимовий період є таким самим.

Для західних областей Українського Полісся максимальні значення ВЕР припадають на листопад, що є вкрай незвичайним для території України. В інших областях Поліського краю розподіл максимумів у зимовий період є більш однорідним та схожим до розподілу у Лісостеповій зоні.

На всій території країни мінімальні значення вітроенергетичних ресурсів притаманні літньому періоду з травня по вересень. На більшості території мінімуми у якийсь окремий місяць виражені слабо. Проте також характерна залежність розподілу мінімумів за місяцями для різних фізико-географічних одиниць. Так, для Степової зони останні найчастіше припадають на липень. Однакові мінімальні значення протягом чотирьох місяців -- з червня по вересень -- спостерігаються в Орільсько-Самарській низовинній та СтаробільсьКій схилово-височинній областях. У більшості областей Дністровсько-Дніпровеького лісостепового краю та Західноукраїнського краю, а також західних областей Полісся мінімуми припадають на серпень. У північно-східних фізико-географічних областях України мінімуми припадають на липень та серпень місяці.

Важливою характеристикою є також амплітуда місячних розрахункових сум виробітку протягом року у різних частинах України.

Середня амплітуда місячних вітроенергетичних ресурсів для рівнинних фізико-географічних областей України складає 85 кВт год. Найбільші амплітуди, понад 180 кВт год, характерні для Приазовської височинної та низовинної областей. Найменші амплітуди характерні для областей з найменшими річними розрахунковими сумами виробітку: Київського, Новгород-Сіверського Полісся, Розточчя і Опілля, Південно-Молдавської схилово-височинної області, Придніпровсько-Східно-Подільського лісостепу тощо. Взагалі амплітуда коливань зростає від областей з меншими річними сумами виробітку енергії до областей з найбільшими ВЕР, тобто з північного-заходу на південний схід країни.

Для уявлення про співвідношення між ВЕР та практичним виробітком енергії можливість застосування картосхем вітроенергетичних ресурсів було проведено порівняння розрахункових даних з даними практичного виробітку енергії. Як приклад розрахунку було використано дані про фактичний виробіток енергії конкретною ВЕУ у порівнянні з вітроенергетичним ресурсом, обчисленим за кліматичними даними. Були взяті дані виробітку енергії вітроенергетичної установки ВЕУ-075, що встановлена на березі Дніпра біля м. Київ. Останні були порівняні з теоретичними даними, розрахованими за даними спостережень ближчої метеорологічної станції (рис. 3.5). Як видно за графіком, фактичний виробіток енергії перевищує розрахунковий.

Останнє пов'язано з тим, що дана вітроенергетична установка встановлена на березі річки, тобто у місці, для якого характерні значні локальні ефекти динаміки вітру, тому розрахункова для значної території величина виробітку енергії відрізняється від фактичного виробітку енергії на означеному місці.

З наведеного прикладу видно, яким може бути значення правильного вибору місця розташування вітроагрегату: у певних конкретних точках місцевості (тобто топологічно) можна отримати показники виробітку енергії, що значно відрізняються від середніх для певного регіону.

Крім того, для різних років характерна значна перемінність величини річних вітроенергетичних ресурсів: фактичний виробіток представлено для одного року, а розрахунковий -- за багаторічний період.

розподіл вітроенергетичний ресурс україна

Гібридні геліо-вітроенергетичні системи

Одним із головних недоліків відновлюваних джерел енергії, зокрема сонячної та вітрової, є нерівномірність і певна непередбачу-ваність їх часового розподілу. На практиці ця проблема розв'язується декількома шляхами.

По-перше, це підключення до загальної електричної мережі. Під час роботи енергетичної установки використовується її власна вироблювана енергія, під час її простою споживається енергія з мережі. Крім того, коли енергетична установка виробляє енергію, але потреби в її використанні на місці немає, енергію можна подавати до електричної мережі. Такі способи використання сонячних та вітрових установок є досить поширеними в країнах Західної Європи.

По-друге, проблема може розв'язуватися встановленням потужних акумуляторних батарей, що використовуються разом із вітровими або сонячними установками малої потужності. Але тут проблемою є висока вартість таких акумуляторів.

По-третє, нерівномірність часового розподілу природної енергії може долатись використанням гібридних систем, що складаються з різних типів установок альтернативної енергетики. Надалі зосередимося саме на цій можливості як такій, що найбільш ощадлива щодо капіталомісткості альтернативних джерел енергії й водночас достатньо гнучка щодо використання природних ресурсів.

Останнім часом набувають широкого використання саме такі гібридні системи, до складу яких входять сонячні та вітрові уста-^ новки, а також акумуляторні батареї. Використання таких систем має значні кліматичні передумови в помірно-континентальних областях земної кулі, де циркуляція атмосфери здійснюється у вигляді циклонічної та антициклонічної діяльності. Останні створюють кліматичні передумови для антисиметрії динаміки ГЕР та ВЕР протягом року.

Для характеристики просторово-часового розподілу продуктивності гібридних систем за територією України було проведено розрахунки сумарного виробітку енергії еталонною гібридною системою, головними складовими якої є сонячні батареї встановленою потужністю 1500 Вт та вітроустановка встановленою потужністю 750 Вт, тобто зі ^співвідношенням встановлених потужностей 2/1 відповідно.

Так, за означеною методикою було складено комплексну карту просторово-часового розподілу продуктивності гібридної системи (ПГС) за фізико-географічними областями рівнинної території країни (рис. 3.6). Річна продуктивність еталонної геліо-вітроенер-гетичної гібридної системи в цілому суттєво, удвічі збільшується з північного заходу, де складає близько 2000 кВт год, на південний схід, де досягає до 3600 кВттод. Таке значне збільшення ПГС визначається здебільшого різким зростанням показників ВЕР у цьому напрямку та значно меншою мірою зростанням ГЕР, хоча останнє теж має місце.

Найменші значення річного ПГС -- до 2000 кВттод -- характерні для фізико-географічних областей, які через значну лісис-тість або особливості гіпсометричної будови мають найменшу продуктивність ВЕУ: Київське, Новгород-Сіверське та Мале Полісся, Придніпровсько-Східно-Подільський та Північно-Полтавський рівнинний лісостеп.

Для більшої частини території країни характерні низькі значення ПГС -- від 2000 кВт год до 2400 кВт год. До цієї території належать більшість фізико-географічних областей Полісся, Західно-Українського краю та лісостепової зони, окрім Східноукраїнського лісостепового краю. Для останнього значення річної ПГС складають -- 2400-2600 кВт год, що спричинене збільшенням ВЕР території, що знаходиться на відрогах Середньоросійської височини.

Аналогічними значеннями характеризується більша частина Швнічностепової та Середньостепової підзони. Максимальні значення ПГС притаманні Приазовській низовинній області (3500 кВттод) Лівобережно-Дніпровсько-Приазовського північностепового краю, що також зумовлене максимальним зростанням тут продуктивності ВЕУ.

Високі значення (більше 3000 кВт год) мають області Південностепової підзони через поєднання тут високих показників ГЕР зі значними ВЕР.

На картодіаграмах виробітку енергії гібридною системою по місяцях можна побачити деяке можливе вирівнювання місячних сум виробітку енергії за рахунок комплексного використання ГЕР та ВЕР: протягом зимових місяців найбільший вклад у ПГС вносять ВЕР, у літні місяці -- ГЕР.

Однак існують просторові особливості динаміки ПГС по місяцях. Так, найменшими амплітудами місячних сум ПГС характеризуються Харківський та Сумський височинний лісостеп, а також Південно-Полтавський рівнинний лісостеп, що пояснюється оптимальністю співвідношення встановлених потужностей сонячної та вітрової установок, яке добиралося саме для цих природних умов. Це також свідчить про відмінність динаміки ПГС для різних фізико-географічних областей України та необхідність вибору свого оптимального співвідношення встановлених потужностей для кожної фізико-географічної області.

Для більшості території північно-західної частини країни потрібне збільшення відносної частки встановлених потужностей вітроустановок, а для деяких південних областей можна збільшити відносну частку встановлених потужностей сонячних батарей.

Таким чином, за допомогою спільного використання сонячних та вітрових ресурсів у гібридних енергетичних системах можна досягти більш стабільного енергозабезпечення, ніж окремим використанням кожного з цих ресурсів.

Размещено на Allbest.ru