Ресурсы солнечной радиации

Априорная лимитированность энергетических ресурсов, которые традиционно используются человечеством, предопределяет постоянный интерес к проблеме практического применения возобновляемых источников энергии, в том числе энергии солнца и ветра. На пути широкого использования возобновляемых энергетических ресурсов всегда стояла ограниченная возможность человека эффективно извлекать и консервировать энергию из этих энергоресурсов. Современная динамическая экспансия инновационных разработок на технологические процессы производства компонентов солнечных электростанций и развитие принципиально новых безлопастных технологий в ветроэнергетике обуславливают необходимость корректировки возможностей и целесообразности активного потребления ресурсов солнечной и ветровой энергии. Для Томской области с ее обширной территорией и высокой концентрацией традиционных энергетических источников оценка солнечного и ветроэнергоресурса актуальна прежде всего с точки зрения их доступности. Применение ветро- и гелиоустановок позволило бы повысить энергообеспеченность области собственными ресурсами, диверсифицировав их.

Важным условием эффективного использования этих ресурсов является объективная и детальная оценка их пространственной и временной изменчивости. Целью данного исследования является анализ пространственно-временного распределения характеристик солнечной радиации и ветра на территории Томской области в контексте их энергетического потенциала.

Материалы и методы исследования

Конечным результатом аргументированной оценки гелио- и ветроэнергоресурса является набор объективных количественных характеристик, который отражает изменение режима каждого вида энергии и ограничивает их возможные вариации во времени и пространстве.

В качестве таких характеристик для оценки поступающей на территорию солнечной радиации используются показатели: суммы прямой и суммарной радиации, их изменчивость в разные временные интервалы в условиях ясного и пасмурного неба; продолжительность солнечного сияния, его изменчивость; непрерывная продолжительность солнечного сияния выше указанного уровня; число дней без солнца; повторяемость облачности разных градаций [2, 3, 4]. На основе этих показателей получают максимальную (при условии ясного неба) и фактическую (средние условия облачности) плотность солнечной энергии; потенциальные гелиоресурсы, принципиально доступные для практического использования; оптимальные углы наклона, которые обеспечивают максимальный поток солнечного излучения на принимающую поверхность гелиоустановки; показатели непрерывной продолжительности солнечного сияния (более 6 часов), обеспечивающие эффективную работу гелиоустановки.

На территории Томской области крайне ограничено количество метеостанций, ведущих многолетние наблюдения непосредственно за актинометрической ситуацией. В настоящее время существует только одна актинометрическая станция, на севере области: Александровское. Поэтому информация о потоках солнечной радиации была получена аналитически, то есть необходимые параметры для конкретной географической точки определялись расчетным путем на основе данных гелиографа и общей облачности [5, 6]. Для исследования использовались метеорологические данные 17 метеостанций, данные по продолжительности солнечного сияния 7 метеостанций и непосредственно актинометрическая информация 5 метеостанций территории Томской области и соседних областей.

Для решения практических задач оценки ветроэнергетических ресурсов необходимы данные о повторяемости различных скоростей ветра, о скоростях ветра различных градаций по румбам, амплитуда суточного хода скорости ветра по сезонам, вертикальный профиль средней скорости ветра, плотность воздуха; на основе этих показателей получают удельную мощность ветрового потока — теоретический потенциал энергии ветра [1, 4]. Для анализа ветроэнергетического потенциала использовались многолетние данные 20 метеостанций Томской области и соседних областей.

На следующем этапе на основе обобщения актинометрической и метеорологической информации проводилось районирование территории с использованием платформы ARCGis 10.2. Это позволило дифференцировать территорию Томской области по особенностям радиационного и ветрового режима.

Результаты исследования и их обсуждение

Распределение солнечной энергии при ясном небе по территории Томской области имеет выраженную широтность. Региональные особенности формирования облачности, прозрачности атмосферы, отражательной способности подстилающей поверхности нарушают широтную зональность; особенно ярко это выражено в летний период. Годовой приход суммарной радиации при реальных условиях облачности изменяется от 3850 МДж/м2 на севере области до 4193 МДж/м2 на юге (рис. 1). Максимум приходится на июль и составляет от 618 МДж/м2 до 690 МДж/м2. Наименьшая суммарная радиация в декабре на севере области составляет всего 25 МДж/м2. Как и для прямой радиации, для суммарной радиации характерно резкое возрастание значений от января к февралю (увеличение в 3 раза) и от февраля к марту (увеличение в 2,5 раза), а также резкое уменьшение их от августа до ноября (уменьшение в 2 раза каждый месяц).

Важным показателем режима излучения является продолжительность солнечного сияния (рис. 2). Увеличение продолжительности солнечного сияния в пределах Томской области происходит с северо-востока на юго-запад и характерно для всех месяцев года. Если на северо-востоке продолжительность солнечного сияния за год составляет 1743 часа, то на юго-западе — 1958 часов. Такой относительно небольшой разброс значений между севером и югом области в годовом выражении объясняется как существенным увеличением продолжительности светового дня на севере, так и особенностью формирования облачности в зимний и летний периоды. Средняя продолжительность солнечного сияния увеличивается от зимы к лету и в июле она наибольшая. Резкое возрастание числа часов с солнечным сиянием наблюдается в период от января к марту, что связано с увеличением продолжительности дня и с уменьшением повторяемости пасмурного состояния неба по общей облачности.

Большое значение для практических задач имеет оценка непрерывной продолжительности солнечного сияния 6 и более часов в сутки. Наибольшая повторяемость такой продолжительности солнечного сияния отмечается с марта по июнь (56–51 % от общего числа случаев). В декабре и январе в Томской области повторяемость непрерывной продолжительности солнечного сияния 6 и более часов составляет 1–8 %.

Используя все указанные характеристики, были получены прикладные индикаторы ресурсов солнечной энергии. Так, определена возможная продолжительность работы гелиоустановки в месяц при определенных значениях суммарной радиации. Для установки, которая расположена в Александровском и начинает работать при количестве суммарной радиации в 12 МДж/м2, продолжительность работы варьируется от 8 дней в августе до 20 дней в июне, в целом же за период апрель — август — 84 дней. На юге области эта цифра возрастает до 130 дней.

Анализ ветрового режима Томской области показал, что на территории области наибольшую повторяемость имеют ветры южного и юго-западного направления. Север же области чаще находится в зоне действия ветров северо-западного направления. В годовом ходе четко прослеживается увеличение северных ветров на юге области с мая по август. Вообще в летние месяцы сложно выделить доминирующие направления ветров. Так, например, вероятность в период июнь — август северного и северо-западного направления вместе составляет 29–30 % для Колпашево и 20–22 % для Томска.

nevid1.tif

Рис. 1. Суммарная радиация (год/МДж/м2)

nevid2.tif

Рис. 2. Продолжительность солнечного сияния (часов/год)

nevid3.tif

Рис. 3. Удельная мощность ветрового потока весной (Вт/м2)

nevid4.tif

Рис. 4. Удельная мощность ветрового потока летом (Вт/м2)

На всей территории области четко определяется годовой ход скорости ветра. Наибольшие скорости ветра наблюдаются в сезон весна-осень. Среднегодовые скорости изменяются от 4,2 до 2,1 м/с. Различие в полях скоростей за дневной и ночной сроки выражено только для теплого периода. Весной дневные скорости ветра больше ночных в среднем на 1,5 м/с.

Для решения практических задач ветроэнергетики необходимы данные о вероятности различных скоростей ветра. Проведенный анализ показал на преобладание в регионе ветров со скоростями от 1–2 до 5–6 м/с, которые составляют в среднем 85 % всех возможных скоростей в год. Скорости ветра 10–12 м/с наблюдаются довольно редко, повторяемость их составляет не более 5 %, а более 16 м/с — единичные случаи.

Рассчитанная удельная мощность ветрового потока позволила выделить районы с различным режимом ветра в различные сезоны. Максимумы удельной мощности соответствуют переходным сезонам — осень и весна (рис. 3). Наибольшие ресурсы ветрового потока сосредоточены вдоль реки Обь в районе Каргаска, Парабели и Колпашево. Здесь они достигают 300 Вт/м2, несколько меньше на юге области — 200 Вт/м2. Осенью максимумы также сконцентрированы в центральной части области, худшие условия для развития ветроэнергетики — это северо-восток и западные части области.

В летний сезон большая часть Томской области характеризуется удельной мощностью от 50 до 100 Вт/ м2, распределена мощность по территории относительно равномерно.

Летом также выделяются области с максимальными значениями удельного потенциала. Это те же самые центральные районы вдоль Оби с удельной мощностью до 150 Вт/ м2 (рис. 4).

Таким образом, годовой ход мощности ветра имеет четко выраженную сезонность. В суточном ходе максимум мощности достигается после полудня. Амплитуда суточного хода в летние месяцы не превышает 75 Вт/м2. Стоит также отметить, что приведенные оценки актуальны для открытых ровных площадей, на возвышенностях мощность будет больше.

Заключение

Для оценки возможностей расположения и эксплуатации объектов солнечной и ветровой энергетики следует рассмотреть, прежде всего, особенности пространственного и временнóго распределения энергии солнца и ветра в конкретном месте и определить необходимые условия и характеристики оптимального режима функционирования энергетических устройств.

По результатам проведенного исследования установлено, что Томская область имеет удовлетворительные ресурсы солнечной и ветровой энергии. Так, теоретический потенциал солнечной энергетики в области составляет более 1300 кВт ч/м2. В то же время из-за географического расположения территории уровень солнечной радиации варьируется. Так, энергетическая освещенность поверхности при ясном небе за летние месяцы в крайне северных районах не превышает 550 Вт/м2, а на юге региона достигает 800 Вт/м2. Существенны также и сезонные колебания. На территории области наиболее перспективны для солнечной энергетики юго-западные районы. В центральной части существует потенциальная возможность для применения небольших установок, рассчитанных на выполнение локальных задач. Наибольшие ветроэнергетические ресурсы сосредоточены вдоль реки Обь в районе Каргаска, удельная мощность ветрового потока здесь 300 Вт/м2 весной и 220 Вт/м2 зимой. С увеличением высоты, на возвышенностях, условия для ветроэнергетических устройств улучшаются.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий