Оценка ветроэнергетического потенциала Финского залива

Оценка ветроэнергетического потенциала Финского залива

Область исследования

Ветроэнергетика является перспективной областью энергетики, за счет своей экологичности и неиссякаемости. В Европе строительство ветряных парков идет полным ходом, и вклад ветровой энергии в энергетику стран Европы достигает 20%, но в России эта цифра составляет менее 0,1%.

Финский залив достаточно мелководен: в среднем его глубина составляет 40 метров, а в районе Невской губы — 8 метров. Поэтому большая часть его территории непригодна для судоходства и остается неиспользуемой. Однако такие условия хорошо подходят для установки ветрогенераторов, поскольку глубина на которую может устанавливаться мачта ветровой турбины не превышает 30 метров. Существуют технологии для установки «ветряков» на большие глубины, так называемые плавучие ветрогенераторы, но стоимость их установки много больше, чем в случае неподвижных аналогов.

Для оценки экономической целесообразности постройки ветрового парка в том или ином месте необходимо исследование потенциальной ветровой энергии на выбранной территории, ее сезонных и климатических изменчивостей. В качестве «инструмента» для проведения такого типа исследований используются ветровые атласы заданного региона.

Ветровой атлас представляет собой карту ветровых ресурсов, а также данные измерений скорости и направления ветра и их частотное распределение. Атлас содержит информацию о ветровом потенциале на различных уровнях, соответствующих высотам турбин ветрогенераторов, обычно в пределах 30 — 100 метров, а также пространственные распределения, учитывающие расстояния от береговой черты, эффекты затенения прибрежными объектами (поселки, города) и особенностями рельефа.

Построение атласов осуществляется либо на основе модельных расчетов детальных полей ветра над заданной акваторией, либо на основе измерений полей скорости ветра высокого пространственного разрешения, полученных из данных спутниковых РСА. Наиболее полные исследования включают оба метода.

Процесс построения ветровых атласов высокого пространственного разрешения, учитывающих сезонную и межгодовую изменчивость ветрового поля, является трудоемким процессом, требующим значительных вычислительных ресурсов. Примеры расчета ветровых атласов могут быть найдены на [Hahman и др., 2012; Tammelin и др., 2013; Troen and Petersen 1989].

Поэтому, в мировой практике в качестве предварительной оценки обычно используется упрощенная методика, основанная на пространственно осредненной оценке ветроэнергетического потенциала заданного региона [Troen and Petersen 1989]. Основная идея упрощенной оценки состоит в использовании данных стандартных наблюдений на метеостанциях, окружающих интересующий регион, для оценки его ветроэнергетического потенциала.

Целью исследования является оценка доступной ветровой энергии на акватории западной части Финского залива и ее сезонной изменчивости для последующего анализа целесообразности установки ветрогенераторов в данном регионе.

Глубина Финского залива 38 м
Глубина Невской губы менее 6 метров
Большая часть территории непригодная для навигации и остается неиспользуемой
Такие условия подходят для установки ветрогенераторов

Методика расчета

За основу методики разработки ветрового атласа для Финского залива брался стандартный, широко распространенный в мировой практике, метод оценки доступной ветровой энергии, разработанный в Датском Техническом Университете [Troen and Petersen 1989].

Идея этого метода заключается в том, что ветровой климат изучаемой области определяется на основе данных измерений с ближайших метеорологических станций, с использованием существующих моделей пограничного слоя и с учетом местных орографических особенностей.

Основные этапы методики следующие:

  1. По данным метеонаблюдений (ветер и температура) на береговых станциях рассчитываются потоки тепла и количества движения с использованием стандартных формул.
  2. По рассчитанным потокам определяются характеристики на верхней границе планетарного погранслоя с использованием законов сопротивления [Garrat 1994]:

    Основным предположением рассматриваемой методики является то, что параметры атмосферы на верхней границе планетарного пограничного слоя (ППС) на масштабах акватории полагаются постоянными. Изменения характеристик приводной части погранслоя, связанные с его трансформацией при пересечении границы раздела земля-вода, локализованы в нижней части ППС, в так называемом внутреннем погранслое, толщина которого увеличивается по мере удаления ветрового потока от границы раздела. Однако, в рамках данной упрощенной методики, трансформация ППС не учитывается, а полагается, что в каждой точке над водной поверхностью ППС находится в равновесном состоянии, параметры которого определяются параметрами свободной атмосферы и локальными аэродинамическими свойствами подстилающей поверхности моря. Соответственно следующим шагом методики является:

  3. Расчет динамической скорости и потоков тепла на морской поверхности по известным параметрам геострофического потока, а так же известной температуре морской поверхности. В данных расчетах параметр шероховатости рассчитывается по формуле Чарнока [Charnock 1955], где константа равна 0,015.

  4. Для расчета профилей скорости ветра в приводной части ППС использовался логарифмический закон.

Таким образом, зная измерения на метеостанциях, мы через законы сопротивления ППС можем рассчитать профили скорости ветра и соответственно ветровой потенциал на интересующей нас высоте над уровнем моря. Этот метод сильно упрощенный и используется лишь для предварительной оценки ветрового потенциала.

Анализ ветрового режима

Для оценки ветрового климата использовались данные метеорологических измерений с метеостанций расположенных достаточно близко к береговой линии залива. Перечень этих станций приведен в таблице ниже.

Номер станции Расположение Период данных измерений
26045 Кунда, Эстония 01.01.2003-31.12.2012
2976 Котка, Финляндия 01.01.2001-01.01.2011
22897 Озерки, ЛО, РФ 01.01.2003-15.06.2004
31.08.2012-31.12.2012
22892 Выборг, ЛО, РФ 01.01.2003-31.12.2012
26063 Санкт-Петербург, РФ 01.01.2003-31.12.2012

Данные станций содержат информацию о скорости и направлении ветра на высоте 10 м и данные о температуре на высоте 2 м, измеряемые четыре раза в сутки, за периоды времени указанные в таблице.

На основе имеющихся данных, были проведены расчеты скорости и направления геострофического ветра для каждой станции за каждый срок. Затем для каждого срока был рассчитан средний между этими станциями поток геострофического ветра. Этот осредненный поток использовался для нахождения поля ветра над поверхностью Финского залива и для расчета плотности кинетической энергии ветрового потока. Местность, на которой расположены метеорологические станции, мы отнесли к второму классу шероховатости, и, согласно таблице 1 приняли параметр шероховатости на станциях равным 0,1 м.

В расчетах параметров геострофического потока мы пренебрегли влиянием стратификации. Основанием для этого является тот факт, что нас в первую очередь интересуют большие скорости ветра, при которых влияние «типичной» стратификации атмосферы на профили ветра над сушей незначительно.

В то же время, при расчетах ППС над морем, разница между температурами воды и пришедшей воздушной массы может быть достаточно значима, особенно в зимний и летний периоды, что может приводить к заметным эффектам стратификации на профили ветра. Летом это приводит к преимущественно устойчивой стратификации ППС (и, соответственно, — к замедлению ветра), а зимой к неустойчивой (соответственно — к ускорению ветра). В качестве температуры водной поверхности брались данные о среднемесячной температуре водной поверхности в центре финского залива (для точки с координатами 60,15° с. ш. 26,96° в. д., данные за 1900 — 2004 годы).

Для условий поверхности свободной ото льда, параметр шероховатости задавался по формуле Чарнока. В зимний период, когда залив покрыт льдом, параметр шероховатости задавался в пределах от 10-4 до 10-5 м.[Seifert and Langleben 1972; Untersteiner and Badgley 1965].

Характеристики поля ветра на станциях

На основе данных с метеорологических станций, расположенных на побережье финского залива были построены розы ветров за десятилетний период. Эти данные в среднем показывают преобладание ЮЮЗ и ЮЗ ветров. Так же можно отметить что ветра, дующие со стороны водной поверхности, имеют большую скорость, нежели ветра, дующие с суши. Т.е. наблюдается эффект разгона ветра над водной поверхностью за счет меньшего параметра шероховатости.

На стандартной высоте измерения 10 м, среднемесячные скорости ветра находятся в пределах 1,5 — 7 м/с. Минимальные среднемесячные скорости ветра наблюдаются на станции в городе Санкт-Петербург, что вполне объясняется расположением станции в черте города. Максимальные значения наблюдаются на станции Котка, расположенной на северном побережье Финского залива. Тут скорость ветра имеет ярко выраженный годовой ход, с минимумом в летние месяцы — 4 м/с и максимумом в зимние ~ 6 м/с.

Энергия вырабатываемая ВЭУ

Центральная ТЭЦ

Электрическая мощность: 75,5 МВт

Ветрогенератор

Электрическая мощность:

×

Северная ТЭЦ

Электрическая мощность: 500МВт

Ветрогенератор

Электрическая мощность:

×

Ленинградская атомная электростанция (ЛАЭС)

Электрическая мощность: 4000 МВт

Ветрогенератор

Электрическая мощность:

×

PT = ½ x air_density x <U3> x swept_area x Cp

Коэффициент использования установленной мощности Cp , отношение мощности выработанной турбиной к общей мощности ветрового потока

Cp = PT/PW

Согласно закону Беца ветровой генератор не может иметь КПД выше 59.3%

В среднем, для ветрогенераторов Cp~25%