Оцінка геліоенергетичних ресурсів Аравійського півострова

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Проблема забезпечення енергією господарської діяльності людини не тільки в майбутньому, але вже і в даний час, викликає заклопотаність багатьох країн Аравійського півострова. Не дивлячись на те, що цей регіон земної кулі по запасах нафти і газу є найбагатшим, вони не безмежні. Тому виникає проблема отримання і використовування нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії: вітрової і сонячної. Доцільність використовування цих видів джерел визначається також і їх перевагою з екологічного погляду.

Вигідне положення Аравійського півострова, розташованого в межах 12 - 29 північної широти, забезпечує великий приплив сонячної енергії на всій його території у всі сезони. Для вибору геліоустановок і їх експлуатації потрібна детальна характеристика режиму сонячної радіації, від показників якої залежить ефективність їх роботи в різну пору року та в окремих регіонах півострова. Основними показниками, необхідними для цього, є в першу чергу сумарна радіація і тривалість сонячного сяйва, безпосередні дані по яких були вельми обмежені: мережа актинометричних станцій на півострові дуже рідка. Тому актуальним є питання про поповнення інформаційної бази даних про ці характеристики, які є базовими при використанні непрямих методів їх розрахунку, або для розробки нових.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно міжнародною програмою INTAS, один з розділів якої направлений на дослідження з можливостей широкого використання відновлюваних джерел енергії (енергозберігаючих та екологічно чистих технологій), а також Національною програмою Кувейту з розвитку нетрадиційної енергетики.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є отримання більш повної інформації по радіаційному режиму Аравійського півострову, яка є необхідною для вирішення питання про вибір типів геліоустановок. При виконанні дослідження були поставлені наступні задачі:

- отримати повну просторово-часову характеристику радіаційного режиму Аравійського півострова;

- розробити методи відновлення середніх місячних полів сумарної радіації і тривалості сонячного сяйва засобами сучасних методів математичної статистики і сучасних інформаційних технологій;

- отримати статистичну залежність сумарної радіації, тривалості сонячного сяйва і характеристик хмарності;

- дати статистичну оцінку просторового розподілу сумарної радіації і тривалості сонячного сяйва;

- виконати апроксимацію емпіричних рядів теоретичними розподілами;

- розрахувати продуктивність і потужність різних типів геліоустановок.

1. Фізико-географічні особливості і метеорологічний режим Аравійського півострова

Найбільший півострів на земній кулі (більше 2,7 млн. км) розташований на південному заході Азії. На заході він омивається Червоним морем, на півдні Аденською затокою і Аравійським морем, на сході Оманською та Персидською затоками. Велика частина півострова є напівпустелями і пустелями, розташованими на плоскогір'ї висотою 400-1000 м над рівнем моря. На заході, півдні і сході - гори, висота яких досягає 3600 м. Постійних річок немає.

Аравійський півострів по класифікації клімату Б.П. Алісова розташовується в тропічному поясі, тобто з переважанням протягом всього року тропічного повітря.

Циркуляційні умови характеризуються формуванням над півостровом області високого тиску в зимовий сезон. В літній період переважаючим баричним утворенням в результаті інтенсивного прогрівання суші є термічна депресія, поглиблення якої відбувається з середини травня до середини липня, до середини вересня вона поволі заповнюється. Літній період характеризується розвитком літньої мусонної циркуляції. В перехідні періоди баричне поле не представляє чітко виражених утворень високого або низького тиску.

Характер баричних утворень і їх сезонна зміна визначає і характер вітрового режиму. Взимку, особливо на сході півострова, переважають північно-західні потоки, весною повітряні потоки мають добре виражену південну складову, з ними на півострів приходить вологе повітря з боку Індійського океану, приплив якого посилюється до літнього сезону. Восени, коли баричне поле є більш розмитим, ніж в інші сезони, вітри не мають стійких напрямів. Середня річна швидкість вітру порівняно невелика і на самому півострові не перевищує 5 м/с.

Термічний режим відрізняється високими середніми місячними температурами: середня річна температура вище 25С; в найхолоднішому місяці (січень) вона майже на всій території перевищує 20С, а в липні і серпні більше 30С. Для Аравійського півострова однією з характерних рис термічного режиму є великі добові амплітуди температури, які часто досягають 35С і більше.

Аравійський півострів відрізняється невеликою хмарністю: середній річний бал загальної хмарності по території змінюється від 1,7 до 3,0, число ясних днів за рік на більшій частині території складає понад 200.

2. Метод непрямого розрахунку сумарної радіації

Оскільки фактичних даних по цій характеристиці на Аравійському півострові вкрай мало. Заздалегідь був представлений короткий огляд методів, запропонованих рядом авторів, з урахуванням характеристик хмарності. Вони вимагають достатньо повної інформації про хмарність (крім середнього бала): кількість нижньої хмарності, число ясних, напівясних, хмарних днів, а також тривалості сонячного сяйва. Ці дані на даній території були або дуже обмежені, або відсутні, що практично робить неможливим використання цих методів. Тому з усіх методів розрахунку сумарної радіації, розроблених окремими авторами, використаний метод, запропонований Т.Г. Берлянд, який легко адаптується до умов Аравійського півострова. Формула розрахунку сумарної радіації має вигляд:

, (1)

де - сумарна радіація з урахуванням хмарності, Вт/м; - сумарна радіація при безхмарному небі, Вт/м; - коефіцієнти, що визначають вплив хмарності; - середній бал хмарності, виражений в частках одиниці.

Для перевірки можливості практичного використовування розрахованих величин сумарної радіації по цьому методу в умовах досліджуваної території розраховані значення порівнювалися з фактичними по станції Аден. Відносна різниця з квітня по вересень не перевищувала 10 %, з жовтня по березень її значення коливалися від 12 %, (жовтень, листопад) до 20 % в березні. Таким чином, на Аравійському півострові значення сумарної сонячної радіації може бути відновлено у всі місяці року за даними про хмарність з достатньою для практичних цілей точністю. По виконаних розрахунках були побудовані карти для кожного місяця; для прикладу вони були приведені за січень і липень.

Основні закономірності розподілу сумарної радіації такі: з травня по вересень ізолінії мають в основному широтний характер, приплив радіації зменшується з півночі півострова до узбережжя Аравійського моря, з жовтня по березень виявляється тенденція деякого збільшення її з північного сходу на південний захід, квітень характерний якнайменшою просторовою мінливістю сумарної радіації на всій території півострова.

3. Статистична оцінка добових величин сумарної радіації за наявними фактичними даними на станціях Абудабі, Бураїм, Вахуд, Сиб, Сер, Масиран, Мармул

Були розраховані основні показники цієї величини: середнє квадратичне відхилення (), коефіцієнти варіації (Сv), асиметрії (А), ексцесу (Е) і даний їх аналіз (по місяцях і по станціях). Найбільша мінливість добових величин сумарної радіації знайдена по всіх станціях в лютому (28,7- 52,2 Вт/м), в цьому ж місяці майже на всіх станціях маємо найбільші значення коефіцієнта варіації (0,22 - 0,28). Коефіцієнт асиметрії у всі місяці на всіх станціях відґємний і майже у всіх випадках (окрім жовтня на станціях Вахуд, Сиб і Сер) має помірне значення, тобто модальна величина перевищує середню. Великим є також і значення коефіцієнту ексцесу, що свідчить про концентрацію величин добових сум біля їх модального значення.

На підставі значень асиметрії і ексцесу можна висунути гіпотезу про теоретичний розподіл емпіричних рядів.

Була виконана апроксимація кривими Пірсона І, ІІІ типу і нормальним законом, які описуються виразами:

- нормальний розподіл:

; (2)

- розподіл Пірсона І типу:

; (3)

- розподіл Пірсона ІІІ типу:

. (4)

Таблиця 1. Результати апроксимації добових величин сумарної радіації

Для тих місяців, коли підібрати теоретичний розподіл не представилося можливим, ймовірність була розрахована по формулі, яка також використовується при обробці гідрометеорологічної інформації:

, (5)

де - ймовірність; - порядковий номер величини в ранжированому ряді; - загальне число величин ряду.

За результатами апроксимації рядів теоретичним розподілом і розрахункам по формулі (5) побудовані функції розподілу добових величин сумарної радіації, які дали можливість визначити вірогідність цієї характеристики сонячної радіації.

Для перевірки правомірності використовування формули (5) значення ймовірності, отримані на її підставі, порівнювалися з вірогідністю, розрахованою в результаті апроксимації рядів теоретичним розподілом. Розбіжності в значеннях вірогідності склали 0 - 0,02.

В цьому ж розділі була описана методика непрямого розрахунку тривалості сонячного сяйва, дані про яку на Аравійському півострові практично відсутні, а відомості про неї разом з іншими характеристиками необхідно використовувати при рішенні питання про тип геліоустановок в умовах досліджуваної території.

В основу методики непрямого розрахунку тривалості сонячного сяйва покладено виявлення статистичних зв'язків між її характеристиками і іншою метеорологічною величиною, від якої залежить сонячне сяйво і по якій була отримана достатньо повна інформація по території Аравійського півострова. Такою величиною може бути середній за місяць бал загальної хмарності.

Розрахунок статистичної залежності був виконаний для 31 станції Туркменії, Узбекистану і Казахстану, які за фізико-географічних умов і радіаційних характеристик порівняно близькі до досліджуваної території. Всі розраховані коефіцієнти кореляції статистично значущі, що дає право на побудову рівнянь регресії. Перевірка на залежному матеріалі показала, що відносна різниця в середньому не перевищує 7 %, хоча в окремі місяці вона дещо більше 10 %. Перевірка можливості використання рівнянь регресії більш надійною буде на незалежному матеріалі. Вона була виконана з використанням фактичних даних 10 станцій Азії, Африки, близької до Аравійського півострова. Перевірка на незалежному матеріалі показала, що відносна різниця в середньому для всіх станцій, по яких проводилася перевірка, більше 10 %. У зв'язку з цим для розрахунку статистичного зв'язку була використана інша характеристика сонячного сяйва: відношення тривалості сонячного сяйва, що спостерігалося, до можливої. Розрахунок коефіцієнтів кореляції між цією характеристикою і середнім балом загальної хмарності був виконаний для тих же станцій Туркменії, Узбекистану і Казахстану. За умови їх значущості побудовані рівняння регресії, перевірені по тих же станціях, що і в першому випадку. Відносні різниці значно менше, ніж при розрахунку безпосередньо тривалості сонячного сяйва. Їх значення в переважному числі випадків не перевищують 10 %. В середньому за рік на всіх десяти станціях, використаних для перевірки, похибка знаходиться в межах 4-9 %, а в середньому по всіх станціях - 6,5 %.

Для 20 станцій, розташованих в різних фізико-географічних умовах Аравійського півострова, по величині середнього бала загальної хмарності було розраховано відношення тривалості сонячного сяйва, що спостерігалася, до можливої.

Можлива тривалість сонячного сяйва була визначена за часом сходу і заходу сонця на широті даної станції і по її значеннях і відношенню була розрахована безпосередньо тривалість сонячного сяйва в годинах для кожного місяця 20 станцій.

За результатами розрахунків тривалості сонячного сяйва для кожного місяця були побудовані карти її розподілу; для прикладу вони були приведені за січень і липень. Розподіл тривалості сонячного сяйва близький до розподілу сумарної радіації.

4. Розробка рекомендацій по використовуванню геліоустановок на Аравійському півострові

Був представлений огляд основних напрямів розвитку геліоенергетики і оцінка оптимальності використовування геліоенергетиці систем на Аравійському півострові.

В геліоенергетиці можна виділити два основні напрями: пряме і непряме перетворення сонячної енергії в електрику, а також перетворення сонячної енергії в теплову.

Відомі три способи прямого перетворення сонячної енергії в електричну: термоелектричний, фотогальванічний і фотоелектричний.

При використанні фотоелектричного методу перетворення енергії сонячної радіації є ефективним і економічно рентабельним в порівнянні з фотогальванічним і термоелектричним.

Перетворення сонячного випромінювання в електроенергію можна практично здійснити термодинамічним методом, проте сонячне випромінювання, падаюче на землю, володіє рядом характерних особливостей: низькою щільністю потоку енергії, добовою і сезонною циклічністю, залежністю від погодних умов. Тому при термодинамічному перетворенні цієї енергії в електричну слід прагнути того, щоб зміни теплових режимів не вносили серйозних обмежень в роботу системи, щоб не виникало ускладнень, пов'язаних з її використанням.

Таким чином, для роботи геліотехнічних пристроїв зрештою найважливішою характеристикою є сумарна радіація, що приходить на одиницю горизонтальної поверхні за певний інтервал часу, і тривалість сонячного сяйва, що дає можливість оцінити продуктивність і потужність геліоустановки.

Кількість виробленої геліоустановками енергії залежить також від можливої тривалості їх роботи, тобто від кількості годинника сонячного сяйва.

Для геліоустановок ГУ-10 і сонячної теплової станції на підставі даних про тривалість сонячного сяйва по 18 станціям була розрахована їх продуктивність. Для цього використовувалося рівняння регресії:

, (6)

де - місячна продуктивність установки; - кількість годин сонячного сяйва за місяць; і - чисельні коефіцієнти: для ГУ-10 = 0,346, = -12,0; для теплової станції = 0,366, = -20,1.

На підставі виконаних розрахунків, нами були складені карти вироблення енергії установкою (паровий котел) ГУ-10 і сонячної теплової станції на Аравійському півострові в цілому за рік, а також окремо за літній (травень-серпень) і зимовий (листопад - лютий) періоди. Можливе вироблення енергії підтверджує перспективність ефективного використовування геліоустановок вказаного типу у всіх регіонах Аравійського півострова. При порівнянні результатів продуктивності парового казана і сонячної теплової станції можна відзначити, що експлуатація парового казана буде більш ефективною, ніж сонячної теплової станції протягом всього року.

Були виконані розрахунки для плоского і концентруючого геліоколектора, теплова потужність яких з урахуванням сумарної радіації визначається по формулах:

, (7)

, (8)

де - сумарна радіація, Вт/м; , , , , , , - технічні характеристики геліоколектора.

На підставі виконаних розрахунків були складені карти теплової потужності плоского геліколлектора за літній і зимовий період. Отримані розподіли можливого вироблення енергії, представлені на картах, підтверджують перспективність цілорічного ефективного використання плоского геліоколектора (причому очевидно, що для літнього періоду вона помітно більше). В північних районах Аравійського півострова теплова ефективність плоского колектора влітку буде в 3,5 рази більше, ніж взимку, а в південних районах навпаки, ефективність в 2 рази більше літом, ніж в зимовий період.

На підставі виконаних розрахунків були складені карти енергопродуктивності і теплової потужності фокусуючих геліоколлектора в літній і зимовий періоди. Отримані розподіли можливого вироблення енергії, представлені на картах, підтверджують перспективність ефективного використовування концентруючих геліоустановок, особливо на базі геліоконцентраторів типу фоклин в літній період для всіх районів Аравійського півострова, тоді як в зимовий період найбільш перспективно їх використання в районах південно-західної частини Аравійського півострова. Для параболоциліндричних геліоустановок експлуатація найбільш перспективна в літній період майже у всіх районах Аравійського півострова, а в зимовий період найбільш доцільно їх використовування в північних і південно-західних районах півострова.

Для порівняння теплотехнічної ефективності сонячних енергосистем необхідно розрахувати продуктивність сонячних енергоустановок, яка може бути визначена по формулі:

, (9)

де -- місячна продуктивність сонячних енергоустановок, МДж/м, -- теплова потужність, Вт; -- середньодобова тривалість сонячного сяйва, год.

Для порівняння теплової ефективності парового котла ГУ-10 і сонячної теплової станції розрахуємо коефіцієнт використання встановленої продуктивності даних енергосистем, якій дорівнює відношенню фактичної продуктивності установки () до продуктивності установки в умовах безхмарного неба ():

. (10)

Коефіцієнт використання встановленої потужності дорівнює відношенню фактичної середньодобової теплової потужності () до середньодобової теплової потужності при безхмарному небі ():

 (11)

З наведених результатів видно, що фактична продуктивність парового котла ГУ-10 лежить в межах 69 - 88%, а сонячної теплової станції 68 -88%. Це означає, що така станція, побудована в даному регіоні, може ефективно працювати протягом всього року. Коефіцієнт використання встановленої потужності плоского геліоколектора знаходиться в межах 49 - 86%, фоклинних 47 - 96% і параболоциліндричних 45 - 96%.

Висновки

аравійський радіаційний сонячний місячний

В дисертації розв'язувалася задача відновлення полів сумарної радіації і тривалості сонячного сяйва на території Аравійського півострова шляхом розробки методів їх непрямого розрахунку.

Виконані оцінки просторового розподілу характеристик радіаційного режиму дозволили визначити типи геліоустановок, які найбільш доцільно використовувати в умовах півострова.

В результаті проведеного дослідження були отримані наступні основні висновки:

1. Основними метеорологічними величинами, які визначають можливість використовування геліоустановок, є хмарність і тривалість сонячного сяйва. На їх величину і просторово-часовий розподіл, крім астрономічних і орографічних чинників, великий вплив надають циркуляційні умови, які на Аравійському півострові обумовлені основними центрами дії атмосфери: в зимовий час - східною периферією Азіатського і відрогом Азорського антициклонів, в літній - Іранською депресією. При цьому південна частина півострова знаходиться під впливом мусонної циркуляції, хоча мусонний комплекс погоди тут не виявляється. Тому умови хмарності при середніх місячних її значеннях на всій території до 3 балів (за винятком високогірних районів) можна вважати цілком сприятливими для розвитку геліоенергетики на півострові.

2. Обмежена кількість фактичних даних по сумарній радіації викликає необхідність використовування методу непрямого її розрахунку. Зі всіх методів, запропонованих різними дослідниками, був вибраний метод, розроблений в ГГО, який в умовах Аравійського півострова є найдоступнішим, оскільки вимагає використовування даних тільки про хмарність. Середній місячний бал загальної хмарності для координат в межах півострова визначено у вузлах широтно-довготної сітки 55.

3. На підставі середнього бала хмарності був проведений розрахунок сумарної радіації у вузлах цієї сітки. Обчислені відносні різниці між розрахованими значеннями сумарної радіації і її фактичними величинами по станціях, що мають ці дані і координати яких близькі до координат вузлів сітки, показали що вибраний метод розрахунку може бути використаний для відновлення поля сумарної радіації на території Аравійського півострова. Надалі отримані дані враховуватимуться при рішенні питання про вибір системи геліоустановок і оптимальне їх розміщення на території півострова.

4. Статистична обробка добових величин сумарної радіації по станціях, що представляють різні фізико-географічні умови Аравійського півострова, дозволила виявити особливості їх статистичного розподілу. Ряди значень добових величин сумарної радіації, в основному, мають велику позитивну асиметрію і великий позитивний ексцес; тобто модальне значення більше середнього і значна частина величин ряду концентруються біля моди.

5. На підставі апроксимації емпіричних рядів добових величин сумарної радіації теоретичними розподілами була розрахована ймовірність їх можливих значень. Ряди, в основному, були апроксимовані III типом кривих Пірсона, в окремі місяці - I типом і нормальним розподілом. Для тих рядів, по яких апроксимація не дала позитивних результатів, побудова кривих інтегрального розподілу проведена з використанням емпіричної формули, запропонованої Г.А. Алексєєвим. Правомірність використання цього методу була перевірена порівнянням його результатів з результатами апроксимації.

6. Інформація про характеристики сонячного сяйва (тривалість, відношення тривалості, що спостерігалася, до можливої) отримана в результаті розробки непрямого методу їх розрахунку. Для цього був використаний статистичний зв'язок цих характеристик з хмарністю - метеорологічною величиною, по якій є достатня просторова інформація на території Аравійського півострова.

7. На півострові є тільки одна станція (Елькувейт) з фактичними даними про режим сонячного сяйва, тому для встановлення цієї залежності були використані дані 31 станцій Туркменії, Узбекистану і Казахстану, природні умови яких і досліджуваної території відносно близькі. Перевірка на незалежному матеріалі рівнянь регресії, для чого були використан фактичні дані 10 станцій Африки і Азії, показала, що кращі результати дали зв'язки хмарності не безпосередньо з тривалістю сонячного сяйва, а з відношенням тривалості, що спостерігалася, до можливої. Отримані по рівняннях регресії значення відношень і дані про тривалість дня дали можливість розрахувати тривалість сонячного сяйва для 20 станцій Аравійського півострова і оцінити її просторово - часовий розподіл.

8. Розрахункові поля сумарної радіації і тривалості сонячного сяйва на території Аравійського півострова дозволили провести розрахунки продуктивності і потужності різних систем геліоустановок. На підставі місячних даних про тривалість сонячного сяйва була розрахована продуктивність геліоустановки паровий котел ГУ-10 та сонячної теплової станції. Результати розрахунків підтвердили перспективність ефективного використання цих геліоустановок у всіх районах Аравійського півострова.

9. На підставі місячних даних приходу сумарної сонячної радіації були розраховані середні місячні теплові потужності для плоских і параболоциліндричних геліоколекторів, а також колекторів на базі фоклинов. Аналіз результатів розрахунків показав:

- плоскі геліоколектори доцільно використовувати на протязі всього року у всіх районах Аравійського півострова там, де непотрібна велика потужність;

- параболоциліндричні геліоколектори доцільно використовувати у всіх районах Аравійського півострова в період з квітня по жовтень, а в решту місяців експлуатація цих геліосистем перспективна в північних і південно-західних районах півострова;

- геліоколектори на базі фоклинів є найперспективнішими серед усіх концентруючих систем при використанні їх на Аравійському півострові. Їх можна ефективно використовувати на протязі всього року у всіх районах Аравійського півострова, але найбільшу продуктивність вони мають влітку в північних районах півострова, а в зимовий період - в південно-західних.

10. Результати розрахунку теплотехнічних показників основних типів геліоенергетичних систем доводять перспективність використання сонячної енергії на території Аравійського півострова як економічне, ефективне та альтернативне джерело енергії.

11. Розроблена і апробована методика відновлення характеристик радіаційного режиму може бути надалі застосована до більш детальних розрахунків їх для окремих регіонів півострова і, зокрема, для Йемену.

Література

1. Мохамед Саид Аль-Гухи. Радиационные факторы климата Аравийского полуострова // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. 2002. Вып. 46. С. 106 113.

2. Мохамед Саид Аль-Гухи. Оценка ресурсов солнечной радиации Аравийского полуострова // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. 2003. Вып. 47. С.70 82.

3. Мохамед Саид Аль-Гухи. Временная оценка суммарной солнечной радиации на территории Аравийского полуострова // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. 2004. Вып. 48. С. 126 132.

4. Мохамед Саид Аль-Гухи. Методика расчета продолжительности солнечного сияния на территории Аравийского полуострова // Труды Одесского полите хнического университета. 2004. Вып. 1(21). - С. 67 70.

5. Мохамед Саид Аль-Гухи. Восстановление суммарной солнечной радиации по дан ным об облачности на Аравийском полуострове // Тези доповіді III наукової конференції молодих вчених. Одеса, ОДЕКУ 2003. - С. 91 93.

Размещено на Allbest.ru