Методи прогнозування вітрового енергетичного потенціалу регіону

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ

УДК 621.548

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОДИ ПРОГНОЗУВАННЯ ВІТРОВОГО ЕНЕРГЕТИЧНОГО ПОТЕНЦІАЛУ РЕГІОНУ

РАМАЗАНОВА Зарема Усеіновна

Спеціальність 05.14.08 “Перетворювання відновлюваних видів енергії”

Київ -- 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики Національної академії наук України, м. Київ

Науковий керівник-- доктор технічних наук, професор

Кудря Степан Олександрович,

Інститут відновлюваної енергетики НАН України, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти: -- доктор технічних наук, професор

Яковлєв Олександр Іванович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри електроенергетики і електротехніки;

-- доктор технічних наук, професор

Сафонов Володимир Олександрович, Севастопольський національний університет ядерної енергії та промисловості Мінпаливенерго України, завідувач кафедри енергозбереження і нетрадиційних джерел енергії.

Захист дисертації відбудеться 11. 03. 2008 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.249.01 в Інституті відновлюваної енергетики НАН України за адресою: 02094, м. Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20а; тел. 206-28-09.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту відновлюваної енергетики НАН України (02094, Київ-94, вул. Червоногвардійська, 20а).

Автореферат розіслано 08. 02. 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Т.В. Суржик

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Оптимізація стратегії розвитку вітроенергетики в регіоні є багатокритеріальною проблемою, рішення якої має базуватись на прогнозі виробітку електроенергії вітровими електричними установками (ВЕУ) на території регіону, ув'язаному з численними іншими регіональними чинниками -- розміщенням населених пунктів, чисельністю населення в них, розміщенням продуктивних сил, станом і перспективами розвитку ліній електропередач тощо. Тому розробка методів прогнозування показників виробітку електроенергії ВЕУ, розташованих на території регіону, є актуальною темою. Застосування розроблених в дисертації методів являє собою необхідну складову оптимізації стратегії розвитку вітроенергетики в регіонах України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов'язана з виконанням “Комплексної програми будівництва вітрових електричних станцій в Україні до 2010 р.”, прийнятої Постановою Кабінету Міністрів України від 3 лютого 1997 р., і “Програми державної підтримки розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії і малої гідро- і теплоенергетики”, прийнятої Постановою Кабінету Міністрів України від 31 грудня 1997 р.

Дисертація виконана у відповідності до плану науково-дослідних робіт як складова тем: Міжгалузевого науково-технічного центру вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики НАН України: “Розробка моделей і методів довгострокового техніко-економічного обґрунтування розвитку вітроенергетики в Автономній Республіці Крим та розробка пропозицій по подальшому розвитку вітроенергетики в Криму” (№ДР 0104U006200) -- автором розроблено науково-методичні засади формування карт вітрового енергетичного потенціалу регіону, зокрема методи оцінювання просторової репрезентативності інформаційного покриття регіону джерелами даних щодо характеристиках вітру і методи просторової інтерполяції показників вітроенергетичного потенціалу; відділу вітроенергетики Інституту відновлювальної енергетики НАНУ: “Розробка ефективних методів і засобів перетворення, акумулювання і використання енергії вітру” (№ДР 0104U003588) -- автором розроблено метод моделювання характеристики потужності ВЕУ з комбінованою системою керування потужністю, метод прогнозування виробітку електроенергії ВЕУ на базі первісних даних спостережень швидкості вітру.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення науково-методичної бази довгострокового прогнозування виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону і застосування отриманих методичних результатів для Кримського півострова.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішено наступні задачі:

· розробка методу оцінки просторової репрезентативності інформаційного покриття території регіону джерелами даних щодо характеристик вітру;

· розробка методу довгострокового прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ на базі даних спостережень в умовах часткового затінення давачів характеристик вітру;

· розробка методу формування карт довгострокового прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону;

· довгострокове прогнозування показників виробітку електроенергії ВЕУ на території Криму.

Об'єкт дослідження -- вітровий енергетичний потенціал регіону.

Предмет дослідження -- довгостроковий прогноз виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач використано методи: системного аналізу, метеорології, теорії вітроенергетики, математичного моделювання, обчислювальної геометрії, теорії ймовірностей, математичної статистики, інтерполяції і апроксимації функцій, інформатики.

Наукова новизна одержаних автором результатів. Вперше розроблено метод оцінювання просторової репрезентативності інформаційного покриття регіону джерелами даних щодо характеристиках вітру. Метод базується на двох взаємопов'язаних підходах, що застосовуються в обчислювальній геометрії -- “q-середніх відстаней” і “діаграм Вороного”. Вперше в термінах властивостей діаграми Воронуго сформульовано вимоги до репрезентативного інформаційного покриття. Запропонований метод дозволяє визначити території регіону, що мають недостатньо репрезентативне інформаційне покриття даними щодо характеристик вітру.

Розроблено новий метод математичного моделювання характеристик потужності сучасних ВЕУ з комбінованою (пасивно-активною) системою керування потужністю, зокрема для ВЕУ Т600-48, на базі якої в даний час створюються українські вітрові електростанції (ВЕС). В якості математичної моделі характеристики потужності ВЕУ вперше застосовано логістичну функцію, що дозволило з високою точністю аналітично описати процес перетворення енергії вітру в електроенергію. Наявність в логістичній моделі малої кількості параметрів забезпечує її високу стійкість і зручність застосування як для чисельних, так і для аналітичних досліджень. Розроблено нові, основані на нелінійній оптимізації, обчислювальні методи відшукання оптимальних оцінок параметрів логістичної моделі, що забезпечують мінімізацію похибки апроксимації. Розроблений математичний інструментарій забезпечує більш точне, ніж відомі методи, моделювання характеристик потужності ВЕУ з системою комбінованого керування потужністю.

Розроблено удосконалений метод прогнозування виробітку електроенергії ВЕУ на базі первісних даних спостережень швидкості вітру. Загальновживаний метод, унормований у діючому нормативному документі, виходить з припущення щодо незмінності швидкості вітру між вимірюваннями -- це припущення є неадекватним дійсності. Натомість, розроблений метод виходить з мінливості швидкості вітру між моментами вимірювань, і моделює цю мінливість як випадкову величину. Цей підхід ураховує стохастичну природу вітру і забезпечує суттєво більшу точність моделювання прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ.

Вперше розроблено метод прогнозування виробітку електроенергії ВЕУ на базі даних щодо характеристик вітру з урахуванням затінень вимірювальних давачів. Метод базується на переході від звичайних роз вітрів до енергетичних роз вітрів, і на використанні даних не одного джерела, а системи джерел інформації щодо швидкостей і напрямків вітру в регіоні. Застосування розробленого методу забезпечує суттєве підвищення точності оцінки вітрового енергетичного потенціалу територій регіону.

Вперше поставлено задачу, розроблено метод її розв'язання і отримано чисельну оцінку впливу ступеню агрегування даних щодо швидкості вітру на точність прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ. На основі цієї оцінки вперше обґрунтовано використання у вітроенергетичних розрахунках даних довгострокових спостережень швидкості вітру, агрегованих за градаціями Всесвітньої метеорологічної організації.

Розроблено новий метод формування комп'ютерних карт прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону. Цей метод е набагато точнішим існуючих методів -- оцінена похибка моделювання для Криму становить 5.6%. Метод використовує інформацію як про розташування джерел інформації на території регіону, так і про прогноз виробітку електроенергії ВЕУ в цих місцях.

Практичне значення одержаних результатів. Комп'ютерна реалізація теоретичних результатів дисертації забезпечує виконання прогнозних розрахунків показників виробітку електроенергії ВЕУ, необхідних для формування стратегії розвитку вітроенергетики в регіоні. Із застосуванням запропонованих в дисертації моделей і методі вперше створено електронні карти Криму, в яких для кожного пункту території півострова відображено прогноз виробітку електроенергії ВЕУ і оцінено просторову репрезентативність отриманого результату. Використання цих карт забезпечує підвищення ефективності пошуку площадок для будівництва ВЕС в регіоні.

Конкретні результати, отримані в дисертації для Кримського півострова, використовуються органами керування реалізацією державної “Комплексної програми будівництва ВЕС в Україні” і органами керування електроенергетикою АР Крим при формуванні стратегії розвитку вітроенергетики в Криму.

Запропоновані в дисертації моделі і методи впроваджено в: Міністерстві промисловості, енергетики, транспорту і зв'язку АР Крим, м. Сімферополь (для прийняття рішень щодо напрямів розвитку вітроенергетики в кримському регіоні); Державному підприємстві “Міжгалузевий науково-технічний центр вітроенергетики” Інституту відновлюваної енергетики НАН України, м. Київ (при виборі перспективних площадок для будівництва ВЕС в Україні); Державному підприємстві “Донузлавська вітрова електростанція”, АР Крим (при прийнятті рішень щодо вибору площадок для розширення Донузлавської ВЕС); підприємстві з іноземними інвестиціями “Уінденерго Лтд”, м. Київ (для аналізу характеристики потужності ВЕУ моделі Т600-48); Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на факультеті електроенерготехніки і автоматики, м. Київ (для використання в навчальному процесі на кафедрі відновлюваної енергетики).

Особистий внесок автора. Всі результати дисертаційної роботи отримано автором особисто. В роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: в [1, 9] -- аналіз структурних змін в електроенергетиці Європи і їх зв'язку з розвитком відновлювальної енергетики на континенті; в [5] -- новий метод дослідження просторової репрезентативності інформаційного покриття території регіону джерелами даних щодо характеристик вітру і побудова відповідних карт для Криму; в [6] -- постановка задачі довгострокового прогнозування вітрового енергетичного потенціалу територій регіону і метод її розв'язання; в [8] -- аналіз сучасних тенденцій розвитку вітроенергетики в Європі і в Україні; в [10] -- аналіз структурних змін в енергетиці України і їх зв'язку з розвитком відновлюваної енергетики в країні; в [11] -- аналіз причин збільшення темпів росту відновлюваної енергетики в Європі; в [13] -- обґрунтування сценаріїв розвитку відновлюваної енергетики в Криму; в [14] -- новий метод використання даних щодо характеристик вітру, зареєстрованих на метеостанціях з частково затіненими давачами, побудова карти вітрового енергетичного потенціалу територій Криму, узгодження стратегії розвитку кримської вітроенергетики з прогнозом вітропотенціалу територій і з прогнозом розвитку електричних мереж регіону.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались, обговорювались і отримали схвалення на: IV міжнародній конференції “Нетрадиционная энергетика в XXI веке” (АР Крим, с.м.т. Гурзуф, 2003), V міжнародній конференції “Нетрадиционная энергетика XXI века” (АР Крим, с.м.т. Миколаївка, 2004), VIІ міжнародній конференції “Відновлювана енергетика XXI століття” (АР Крим, с.м.т. Миколаївка, 2006); IX міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні питання розвитку інноваційної діяльності” (м. Сімферополь, 2004); науково-технічній раді Міжгалузевого науково-технічного центру вітроенергетики Інституту відновлювальної енергетики НАН України (м. Київ, 2005); науковому семінарі відділу вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики НАН України (м. Київ, 2006).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт: 6 статей у фахових наукових виданнях ВАК України, 2 статті в інших науково-технічних виданнях, 6 публікацій в збірках матеріалів наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел, двох додатків. Загальний обсяг дисертації становить 158 сторінок, у тому числі 127 сторінок основного тексту, 30 таблиць, 58 рисунків. Перелік використаних джерел включає 132 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

вітровий енергетичний електроенергія прогноз

У вступі обґрунтовано актуальність і наукову новизну роботи, сформульовано мету роботи і задачі, які необхідно розв'язати для досягнення поставленої в роботі мети.

В першому розділі виконано аналіз тенденцій розвитку вітроенергетики і досліджень вітрового енергетичного потенціалу (ВЕП) територій.

Досліджено основні причини і тенденції структурної перебудови європейської електроенергетики, що призвели до суттєвого прискорення розвитку вітроенергетики. Відзначено загальні і особливі риси розвитку української вітроенергетики, обґрунтовано доцільність і необхідність розвитку вітроенергетики в Криму.

В першому розділі також проаналізовано результати досліджень ВЕП територій, виконаних різними авторами. Це -- моделі NOABL (США) и WASP (Данія), а також дослідження ВЕП регіонів колишнього СРСР -- Грузії, Естонії, Росії і України. Проведений аналіз показав такі характерні недоліки цих робіт.

1. Загальновживаним в літературі показником ВЕП є питома потужність вітрового потоку. Виконані розрахунки показали, що цей показник є недостатньо інформативним -- його застосування може зумовлювати прийняття помилкових стратегічних рішень щодо будівництва вітрових електростанцій (ВЕС). В табл. 1 продемонстровано дані для двох площадок; виробіток електроенергії ВЕУ Т600-48 виявився вищім на площадці з меншою питомою потужністю вітрового потоку.

Таблиця 1

Порівняльні дані для різних показників ВЕП

Метеостанція	Питома потужність вітрового потоку, ватт/м2	Середній річний виробіток електроенергії ВЕУ Т600-48, тис. кВтгод
Ай-Петрі	255	1276
Керч	164	1578

Для запобігання таких неузгодженостей, в якості показника ВЕП в даній роботі запропоновано використовувати безпосередньо показник середньорічного виробітку електроенергії конкретної ВЕУ, в даному випадку -- Т600-48, на базі якої будуються українські ВЕС.

2. В більшості випадків відсутні оцінки похибки розрахунків.

3. В тих нечисленних випадках, коли така оцінка подається, похибки моделювання є надто великими. Для моделі WASP -- більше 30% для швидкості вітруё що призводить до похибки розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ до 100% і вище. Не набагато меншою є похибка моделі NOABL, використаної в розробці вітроатласу Криму в рамках проекту TACIS в 1999 р. (середня похибка моделювання швидкості вітру становить 19%, але для деяких пунктів Криму -- більше 30%).

Аналіз результатів досліджень за темою дисертації засвідчив необхідність розробки нових, більш обґрунтованих і точних моделей і методів для поглибленого вивчення ВЕП і прогнозування потенційного виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону.

У другому розділі дисертації проведено аналіз системи джерел довгострокових даних щодо характеристиках вітру в регіоні. Для аналізу просторової репрезентативності покриття території регіону джерелами даних про вітер запропоновано два методи: метод q-середніх відстаней і метод діаграм Воронуго.

Перший метод полягає у віднесенні кожного пункту території Криму до одного з класів залежно від середньої відстані між даним пунктом і найближчими до нього джерелами інформації. Математичний опис методу приведено в формулах (1)-(3):

(1)

(2)

(3)

де: -- кількість джерел інформації щодо характеристик вітру; -- множина, що складається з номерів джерел інформації, найближчих до пункту ; -- відстань від пункту до -го джерела інформації.

Параметр методу задається, виходячи з вимог до рівня інформаційної забезпеченості оцінки потенційного виробітку електроенергії ВЕУ. На рис. 1 показано побудовану карту інформаційного покриття Криму метеостанціями для q=1.

Світлі області на цій карті відповідають територіям, для яких відсутня надійна інформація щодо характеристик вітру. Це -- крайня північ Криму, його центр, а також південь Керченського півострова. Темні області відповідають зонам, для яких є достатньо інформації щодо характеристик вітру. Виконані розрахунки показали, що близько 91% території Криму розташовано на відстані не більше 31 км від найближчої метеостанції. Це свідчить про достатньо високу просторову репрезентативність системи метеостанцій Криму.

Для здійснення поглибленого аналізу інформаційного покриття Криму джерелами даних про вітер, побудовано відповідну діаграму Воронуго. Вона складається з комірок Воронуго, які будуються для кожного джерела даних і являють собою множини пунктів, для яких відповідне джерело даних є найближчим. Математичне формулювання задачі побудови діаграми Воронуго полягає в наступному. Позначимо додатково:

-- множина пунктів території регіону;

-- відстань між пунктом і -м джерелом інформації ().

Діаграма Воронуго являє собою розбиття множини на підмножини (комірки Воронуго), що мають наступні властивості:

(4)

(5)

(6)

Із застосуванням апарату діаграм Воронуго, репрезентативне інформаційне покриття території визначається як таке, для якого:

* всі комірки Воронуго мають “не витягнуті” форми і приблизно однакові площі;

* джерела даних розташовуються поблизу центрів своїх комірок Воронуго;

* кожній комірці Воронуго відповідає територія регіону з однорідними умовами вітроутворення.

Аналіз, з точки зору зазначених вимог, комірок Воронуго для Криму дозволив уточнити перелік територій, для яких наявна система метеостанцій є малоінформативною. Так, метеостанції недостатньо інформативно “обслуговують” важливий для вітроенергетики Криму район заходу Тарханкутського півострова і Донузлавської затоки. Залучення інформації, зареєстрованої встановленими в даній місцевості в різні часи спеціалізованими метеопостами і метеопостами діючих ВЕС, вирішує проблему забезпечення репрезентативного інформаційного покриття цих територій.

Третій розділ дисертації присвячено дослідженню моделей і методів прогнозування виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону. Першою задачею є математичне моделювання характеристики потужності ВЕУ. З порівняння характеристик потужності ВЕУ USW56-100, що раніше вироблялась в Україні, і Т600-48, видно суттєву різницю між ними. Ця різниця є наслідком застосування в ВЕУ Т600-48 не активної (як в USW56-100), а комбінованої (пасивно-активної) системи керування потужністю. Проведені обчислювальні експерименти показали, що застосування існуючої методики (апроксимації кубічним поліномом) для моделювання характеристики потужності ВЕУ з комбінованою системою керування потужністю призводить до надто великих похибок моделювання (13% для ВЕУ Т600-48).

В дисертації запропоновано нову модель характеристики потужності -- логістичну, що має вигляд

,

де -- параметри моделі. Для оцінювання параметрів даної моделі на базі паспортних даних ВЕУ в дисертації розроблено спеціальний ітераційний метод, що є комбінацією методу найменших квадратів, методу спуску по групах змінних і методу лінеаризації. Метод полягає у наступному. Значення параметра a є асимптотою функції, тому в якості його початкового наближення приймається максимальна потужність ВЕУ. Для відомого значення параметри b и c можна оцінити, комбінуючи метод найменших квадратів з методом лінеаризації. Використовуючи отримані оцінки b и c, параметр a уточнюється за формулою лінійного методу найменших квадратів. Відповідні формули розрахунків подано нижче:

заміна змінних:

 (7)

(8)

розрахунок параметрів лінійного рівняння методом найменших квадратів:

(9)

(10)

перехід до первісних параметрів:

(11)

(12)

перерахунок параметра a методом найменших квадратів:

(13)

Такі ітерації продовжуються до стабілізації значень оцінок параметрів. Розроблений метод забезпечує відшукання оптимальних оцінок параметрів логістичної моделі характеристики потужності ВЕУ, що мінімізують похибку апроксимації відповідних паспортних даних. Формула (14) є числовим варіантом логістичної моделі, побудованим запропонованим методом (7)-(13) для характеристики потужності ВЕУ Т600-48.

(14)

Логістична модель (14) має середню похибку ?4%, що є цілком прийнятним для вітроенергетичних розрахунків.

В розрахунках довгострокового прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ використовуються дані щодо швидкості вітру, які зберігаються в одному з двох представлень -- в первісному (т.з. “строкові” дані) або в агрегованому -- у вигляді гістограм повторюваності швидкостей. Кожен з цих випадків в дисертації розглянуто окремо.

В методиці розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ, запропонованій в ГКД 341.003.003.006.2000, зареєстрована швидкість вітру вважається незмінною на протязі всього проміжку часу до наступного вимірювання. Як показав аналіз даних метеопостів діючих ВЕС, що усереднюють швидкість вітру за кожні 10 хв., в дійсності має місце тенденція до поступового зростання або спаду швидкості вітру. Тому для розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ запропоновано більш точний метод, в якому використовуються два послідовних виміри швидкості вітру -- и . Між вимірюваннями швидкість вітру моделюється як випадкова величина з прямокутним розподілом. Виробіток електроенергії ВЕУ обчислюється як добуток тривалості інтервалу на середню генеровану потужність ВЕУ, визначену шляхом інтегрування логістичної функції на відповідному інтервалі швидкостей (формули подано для тригодинних інтервалів між вимірюваннями, які мають місце на метеостанціях України, що працюють за методикою ВМО -- Всесвітньої метеорологічної організації):

 (15)

(16)

Щодо оцінки виробітку електроенергії ВЕУ за агрегованими даними, представленими у вигляді гістограм розподілу швидкості вітру, то тут виникає питання про точність вказаного розрахунку. Метеорологи формують гістограми за методикою ВМО -- в основному ширина інтервалу швидкості вітру становить 2 м/сек. Необхідно оцінити точність розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ, проведеного на основі даних щодо швидкості вітру, агрегованих в указаних інтервалах. Безпосереднє рішення даної задачі на базі аналізу фактичних даних неможливо, оскільки гістограми швидкостей вітру, що зберігаються в метеоархівах, прив'язані до фіксованої системи інтервалів. За цими даними неможливо перерахувати частути для більш вузьких інтервалів. Необхідні оцінки отримано шляхом використання певного теоретичного розподілу швидкості вітру, а саме розподілу Релея. В табл. 2 показано похибки розрахунків виробітку електроенергії ВЕУ Т600-48 для інтервалів шириною 1, 2 и 4 м/сек.

Таблиця 2

Похибки (%) розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ Т600-48 порівняно з розрахунком для інтервалу гістограми швидкості вітру шириною 0.5 м/сек

, м/сек , м/сек	5	6	7	8
1	0.23	0.10	0.04	0.01
2	1.15	0.48	0.18	0.04
4	3.50	1.98	1.13	0.65

Як видно з результатів цих розрахунків, градації ВМО для ВЕУ Т600-48 забезпечують максимальну похибку не вище 1.15%. Для ВЕУ USW56-100 максимальна похибка розрахунку виробітку електроенергії становить 3%. Зі збільшенням ВЕП відносна похибка зменшується. Все це дозволяє зробити висновок щодо придатності для вітроенергетичних розрахунків метеоданих, агрегованих відповідно до методики ВМО.

Для побудови карти прогнозу показників виробітку електроенергії ВЕУ в регіоні перш за все необхідно отримати довгострокові прогнози виробітку електроенергії ВЕУ на площадках опорних джерел даних (метеостанцій і метеопостів). Спеціалізовані метеопости встановлюються вітроенергетиками у відкритій місцевості, а от відкритість метеостанцій частіше за все виявляється порушеною. Тому розрахунок виробітку електроенергії ВЕУ на площадках таких метеостанцій потребує уточнення. Для цього запропонована нова методика, що базується на системному використанні даних обстеження метеостанцій і енергетичних роз вітрів (замість звичайних роз вітрів). Для кожного з восьми секторів напрямів вітру середньорічний виробіток електроенергії ВЕУ визначається за формулами (16)-(17). Якщо один або два сектори затінено перешкодами, то для цих секторів виробіток електроенергії ВЕУ оцінюються за даними близькорозташованої метеостанції, у якої ці сектори відкриті для вітру, і яка має однорідні з вихідною метеостанцією умови щодо утворення вітру. Якщо такої “корегуючої” метеостанції знайти не вдається, то метеостанція із затіненими секторами виключається з розгляду (якщо, природно, для неї відсутні спостереження за період, попередній до періоду зведення перешкод).

Після отримання “очищених” даних щодо потенційного виробітку електроенергії ВЕУ в окремих пунктах регіону (на площадках метеостанцій і метеопостів), слід здійснити інтерполяцію наявних даних для всіх пунктів регіону. Для цього запропоновано метод “середньозважених” значень, в якому в якості ваг виступають величини, обернені відстаням від даного пункту до використаних вузлів інтерполяції. Для вибору вузлів інтерполяції показників виробітку електроенергії ВЕУ у довільному пункті, запропоновано використати один з двох методів, що показали на практиці позитивні результати: метод “найближчих сусідів” і метод тріангуляції. В першому методі відбираються вузлів, найближчих до даного пункту. У другому методі в якості вузлів інтерполяції відбираються три вершини трикутника, всередину якого попадає даний пункт. В якості конкретного алгоритму для розбиття території регіону на трикутні області використано алгоритм тріангуляції Делоне, який забезпечує найбільш “рівномірну” тріангуляцію території регіону.

В четвертому розділі всі розроблені в другому і третьому розділах методи застосовано для формування довгострокового прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ на території Криму. Спочатку всі метеостанції Криму було розбито на три категорії: закриті і розташовані в специфічних умовах утворення вітру (вісім таких станцій було одразу виключено з розгляду); відкриті (дані шести таких станцій використовуються без попередньої обробки) і частково закриті (дані цих станцій уточнено за методикою, запропонованою в розділі 3). В результаті сформовано систему базових джерел даних щодо характеристик вітру в Криму -- 15 метеостанцій і шість метеопостів. Інформаційне покриття території Криму цією системою є репрезентативним -- 87% території Криму розташовано на відстані не більше 31 км від джерел даних сформованої системи.

На рис. 3-4 показано карти потенціального виробітку електроенергії ВЕУ Т600-48 в Криму, побудовані триточковим методом “найближчих сусідів” і методом тріангуляції Делоне. Результати принципово не відрізняються, єдине що, метод тріангуляції є “жорсткішим” методу “найближчих сусідів” відносно достовірності розрахунків -- він не дозволяє оцінити значення показників поза меж побудованої трикутної сітки.

На рис. 5 подано карту території Криму з середньорічним виробітком електроенергії ВЕУ Т600-48 більшим за 1.5 млн. кВт·год з виключеними територіями (відмічені штриховкою), що віддалені від джерел даних про вітер більше, ніж на 20 км. Білим кольором відмічені території Криму, розташовані поблизу джерел даних про вітер, але на яких виробіток електроенергії ВЕУ недостатньо високий.

На територіях, відмічених на рис. 5 темною заливкою, високі показники прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ мають високий ступінь достовірності. Площа вказаних територій становить 2.7-3.4 км2 (10-12% території Криму). На цій площі можна розмістити ВЕУ Т600-48 загальною потужністю 23-30 ГВт з середньорічним виробітком електроенергії 73-94 млрд. кВтгод (інтервали оцінок виникають в результаті застосування різних вимог до інформаційної забезпеченості прогнозу). Ясно, що території, визначені зонами високого ВЕП Криму, не повністю доступні для розміщення ВЕС. Але навіть 10% цих територій дозволяють розмістити вітроелектричні потужності, що забезпечують виробіток електроенергії, зіставлений зі споживанням електроенергії всього Криму.

Достовірна інформація щодо прогнозу виробітку електроенергії ВЕС Криму є первісною для формування стратегії розвитку вітроенергетики в регіоні. Після визначення територій, потенційно придатних для будівництва ВЕС, необхідно визначитись з передачею електроенергії в енергосистему. Встановлено, що електричні мережі західно-кримського регіону здатні без проведення додаткових заходів прийняти електроенергію ВЕС загальною потужністю 150 МВт, а після установки на підстанції “Донузлав” додаткового трансформатора 125 МВА 220/110 кВ -- потужністю 250 МВт. Мережі східно-кримського регіону, після відповідної реконструкції, також зможуть прийняти електроенергію ВЕС потужністю 250 МВт. Подальший розвиток ВЕС в Криму суттєво залежить від графіка реалізації прийнятого рішення відносно будівництва ТЕС на базі парогазових установок. Реалізація даного проекту буде супроводжуватись створенням нової високовольтної мережі, що дозволить збільшити граничну потужність ВЕС у східно-кримському регіоні до 500 МВт, а також вирішити проблему забезпечення в Криму маневрових потужностей. Подальше збільшення потужності кримських ВЕС має супроводжуватись реалізацією більш суттєвих системних рішень.

В додатку А подано детальні дані щодо структурної перебудови електроенергетики Європи, України і Криму і щодо ролі і місця вітроенергетики в цьому процесі.

В додатку Б подано документи про впровадження результатів дисертації.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В дисертації представлено нове рішення актуальної наукової задачі прогнозування вітрового енергетичного потенціалу територій регіону. При вирішенні даної задачі одержано наступні результати:

1. Вперше розроблено методи дослідження інформаційного покриття регіону джерелами даних щодо характеристик вітру. Ці методи (метод “q-середніх відстаней” і метод “діаграм Вороного”) дозволяють оцінити просторову репрезентативність представлення наявними даними вітрового режиму всієї території регіону. Вперше в термінах властивостей діаграми Воронуго сформульовано вимоги до репрезентативного інформаційного покриття.

2. Розроблено новий (оснований на застосуванні логістичної моделі) метод математичного моделювання характеристики потужності ВЕУ з комбінованою (пасивно-активною системою) керування потужністю. Розроблено нові математичні алгоритми оптимального оцінювання параметрів цієї моделі. Розроблений математичний інструментарій може використовуватись для більш точного, ніж відомими методами, моделювання характеристик потужності ВЕУ, оздоблених системами комбінованого керування потужністю.

3. Вперше виконано дослідження точності розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ за даними щодо швидкості вітру, агрегованими на основі шкали градацій, запровадженої Всесвітньою метеорологічною організацією. Результати дослідження показали, що використання цих даних забезпечує отримання достатньо точних (для практичних потреб) оцінок виробітку електроенергії ВЕУ.

4. Розроблено новий математичний метод розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ за даними первісних вимірювань швидкості вітру. Цей метод, на відміну від загальновживаного методу, адекватно враховує стохастичну природу вітру і, тому, забезпечує більшу точність моделювання.

5. Вперше запропоновано метод оцінювання виробітку електроенергії ВЕУ на площадці метеостанції за умови часткової затіненості давачів характеристик вітру. Метод забезпечує найповніше використання відповідної інформації про вітер, що зберігається в метеоархівах.

6. Розроблено новий метод прогнозування виробітку електроенергії ВЕУ в пунктах регіону, в яких відсутні джерела даних щодо характеристик вітру. Запропонований метод дозволяє будувати карти прогнозу виробітку електроенергії ВЕУ на території регіону і є набагато точнішим існуючих методів -- оцінена похибка моделювання для Криму склала лише 5.6%.

7. Розроблений комплекс моделей и методів в дисертації використано для рішення задачі довгострокового прогнозування вітрового енергетичного потенціалу Криму.

Вперше:

· досліджено просторову репрезентативність інформаційного покриття Криму джерелами довгострокових даних щодо характеристик вітру;

· сформовано систему базових джерел достовірної інформації щодо характеристик вітру в Криму -- 87% пунктів території Криму розташовані на відстані не більш 31 км від найближчих джерел інформації сформованої системи;

· розраховано оптимальні оцінки параметрів математичної моделі характеристики потужності ВЕУ Т600-48, які забезпечують мінімальну похибку апроксимації -- 4%;

· отримано уточнені оцінки показників виробітку електроенергії ВЕУ Т600-48 для площадок метеостанцій Криму з частково затіненими давачами характеристик вітру;

· побудовано карти прогнозу показників виробітку електроенергії ВЕУ Т600-48 на території Криму -- оцінена похибка моделювання становить 5.6%;

· оцінено площу територій Криму, що мають інформаційно підтверджений високий вітроенергетичний потенціал -- 2.7-3.4 тис. км2. Ці території розташовані на Тарханкутському півострові, західному узбережжі Чорного моря від Євпаторії на північ до Тарханкутського півострова, а також на півночі Керченського півострова;

· встановлено, що на десятій частині зазначеної території можна раціонально розмістити вітроенергетичні потужності, що генерують щорічно в середньому 7.3-9.4 млрд. кВтгод, що відповідає прогнозу річного споживання електроенергії Криму;

· визначено, що розвиток вітроенергетики в Криму необхідно проводити системно, с урахуванням як вітрового енергетичного потенціалу територій, так і графіків і обсягів введення в дію маневрових потужностей, а також заходів з модернізації електричних мереж -- за виконання цих умов встановлену потужність ВЕС Криму цілком може бути ближчим часом доведено до рівня 750 МВт.

Розроблені в дисертації методи і моделі дозволяють здійснити всебічне дослідження можливостей регіону щодо виробництва електроенергії вітровими електростанціями, розташованими на його території, можуть використовуватись для формування стратегії розвитку вітроенергетики в регіоні, є науковою базою для рішення відповідних задач в рамках державної “Комплексної програми будівництва ВЕС в Україні”.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кудря С., Тучинський Б., Дресвянніков В., Рамазанова З. Структурні тенденції в енергетиці Європи і розвиток відновлюваної енергетики // Відновлювана енергетика. -- 2005. -- №1. - С.36-40.

2. Рамазанова З.У. Ветроэнергетика Крыма: анализ предпосылок, состояние и перспективы развития // Сб. научных трудов Севастопольского института ядерной энергии и промышленности. -- 2004. - Вып. 13. -- С.214-219.

3. Рамазанова З.У. Оценка влияния агрегирования данных о скорости ветра на точность расчёта выработки электроэнергии ветровой электрической установкой // Технічна електродинаміка. -- 2005. -- №3. - С.66-67.

4. Рамазанова З.У. Метод аппроксимации характеристики мощности ветровой электрической установки с комбинированной системой управления мощностью // Відновлювана енергетика. -- 2005. -- №3-4. - С. 24-28.

5. Рамазанова З.У., Скульский К.А., Тучинский Б.Г. Анализ информативности для ветроэнергетических расчётов размещения в Крыму источников долгосрочных данных о характеристиках ветра // Відновлювана енергетика. -- 2005. -- №2. - С.40-44.

6. Рамазанова З.У., Скульский К.А., Тучинский Б.Г. Методика и результаты долгосрочного прогнозирования ветрового энергетического потенциала территорий Крыма // Проблеми загальної енергетики. -- 2005. -- №12. - С.40-43.

7. Рамазанова З.У. О строительстве ветровых электростанций в Автономной Республике Крым в период реализации второго этапа (2001-2005) Комплексной программы строительства ВЭС // Ресурсоенергозбереження. -- К.: ПВП “Задруга”. -- 2004. - С.149-153.

8. Кудря С., Тучинський Б., Дресвянніков В., Рамазанова З. Дослідження тенденцій розвитку вітроенергетики в Європі і в Україні // Вітроенергетика України. -- 2004. -- №1-2. - С. 4-7.

9. Кудря С., Тучинський Б., Дресвянніков В., Рамазанова З. Структурна перебудова електроенергетичної галузі як важіль прискореного розвитку відновлюваної енергетики. Європейський аспект // Нетрадиционная энергетика XXI века: V международная конф. АР Крым, Николаевка, 23-27 сент. 2004 г. - Крым, 2004. -- С. 17-21.

10. Кудря С., Тучинський Б., Дресвянніков В., Рамазанова З. Структурна перебудова електроенергетичної галузі як важіль прискореного розвитку відновлюваної енергетики. Український аспект // Нетрадиционная энергетика XXI века: V международная конф. АР Крым, Николаевка, 23-27 сент. 2004 г. -- Крым, 2004. - С. 22-24.

11. Рамазанова З.У. Возобновляемые источники энергии в Крыму. Состояние и перспективы // Нетрадиционная энергетика XXI века: V международная конф. АР Крым, Николаевка, 23-27 сент. 2004. -- Крым, 2004.- С. 25-30.

12. Рамазанова З.У. Развитие ветроэнергетической отрасли Автономной Республики Крым // Нетрадиционная энергетика XXI века: V международная конф. АР Крым, Николаевка, 23-27 сент. 2004. -- Крым, 2004. - С. 98-104.

13. Рамазанова З.У., Маслова Н.И., Шурчков А.В. Развитие нетрадиционной энергетики в Крыму. Состояние и перспективы // Нетрадиционная энергетика в XXI веке: ІV международная конф. АР Крым, Гурзуф, 29 сент. - 3 окт. 2003. - Крым, 2003. -- С. 35-42.

14. Кудря С.А., Рамазанова З.У., Тучинский Б.Г. Долгосрочный прогноз ветрового энергетического потенциала и стратегия развития ветроэнергетики Крыма // Відновлювана енергетика XXI століття: VІІ міжнародна конф. АР Крим, Миколаївка, 11-15 вересня 2006 р. - Крим, 2006. -- С. 136-139.

АНОТАЦІЇ

Рамазанова З.У. Методи прогнозування вітрового енергетичного потенціалу регіону. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.08 -- Перетворювання відновлюваних видів енергії. -- Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Київ, 2008.

Робота присвячена теоретичним дослідженням і отриманню практичних результатів вирішення проблеми довгострокового прогнозування вітрового енергетичного потенціалу регіону.

Проведений аналіз раніше виконаних досліджень показав, що необхідно створити новий методичний інструментарій, який би дозволив отримати повну уяву щодо вітрового енергетичного потенціалу регіону з метою формування стратегії розвитку і розміщення вітроенергетики в регіоні.

Запропоновано нові методи: оцінки просторової репрезентативності інформаційного покриття території регіону джерелами довгострокових даних щодо характеристик вітру; математичного моделювання характеристики потужності ВЕУ з системою управління потужністю комбінованого (пасивно-активного) типу; уточненого розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ за даними первісної реєстрації швидкості вітру на метеостанціях; оцінки точності розрахунку виробітку електроенергії ВЕУ за даними щодо швидкості вітру, агрегованими відповідно до методики Всесвітньої метеорологічної організації; оцінки виробітку електроенергії ВЕУ в умовах часткового затінення давачів швидкості вітру на метеостанції.

Розроблені методи і моделі застосовано до рішення даної проблеми для Криму. Отримано відповідні карти довгострокового прогнозу вітрового енергетичного потенціалу Криму з урахуванням ступеню інформаційного покриття його території джерелами даних довгострокових спостережень характеристик вітру. Розроблено прогноз розвитку вітроенергетики Криму з урахуванням вітрового енергетичного потенціалу його територій і перспектив розвитку електромережевої системи півострова.

Ключові слова: вітровий енергетичний потенціал, вітрова електрична установка, виробіток електроенергії, математичне моделювання.

Рамазанова З.У. Методы прогнозирования ветрового энергетического потенциала региона. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.08 -- Преобразование возобновляемых видов энергии. -- Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, Киев, 2008.

Работа посвящена теоретическим исследованиям и получению практических результатов решения проблемы долгосрочного прогнозирования ветрового энергетического потенциала региона.

Проведенный анализ выполненных ранее исследований по данной проблеме показал, что наиболее распространённые модели и методы оценки ВЭП регионов не обеспечивают достаточной точности и полноты долгосрочного прогноза выработки электроэнергии ВЭУ на тех или иных территориях. Известные модели NOABL (США) и, в особенности, WASP (Дания), будучи чрезвычайно сложными и громоздкими, не обеспечивают точность моделирования параметров ВЭП, необходимую для практических ветроэнергетических расчётов. В большинстве публикаций оценка погрешности моделирования вообще отсутствует. Сделан вывод о необходимости создания нового методического инструментария, который бы позволил получить полное представление о ветровом энергетическом потенциале региона с целью формирования стратегии развития и размещения ветроэнергетики в данном регионе.

Предложены новые методы:

· оценивания пространственной репрезентативности информационного покрытия территории региона источниками данных о характеристиках ветра;

· математического моделирования (с применением логистической модели) характеристики мощности ВЭУ с системой управления мощностью комбинированного (пассивно-активного) типа;

· уточненного расчёта выработки электроэнергии ВЭУ по данным первичной регистрации скорости ветра на метеостанциях;

· оценки точности расчета выработки электроэнергии ВЭУ по данным о скорости ветра, агрегированным согласно методике Всемирной метеорологической организации;

· оценки выработки электроэнергии ВЭУ в условиях частичной затененности датчиков скорости ветра на метеостанции.

Разработанный комплекс моделей и методов использован для решения проблемы долгосрочного прогнозирования ВЭП Крымского полуострова. Впервые:

· проанализирована пространственная репрезентативность информационного покрытия Крымского полуострова источниками долгосрочных данных о характеристиках ветра;

· сформирована система базовых источников информации о характеристиках ветра в Крыму -- в неё вошли 15 из 23-х действующих в Крыму метеостанций, а также метеопосты трёх действующих в Крыму ВЭС и три метеопоста МНТЦ ветроэнергетики НАНУ, для площадок которых имеется долгосрочный прогноз ВЭП (данная система базовых источников информации является достаточно представительной -- 87% пунктов территории Крыма расположены на расстоянии не более 31 км от ближайших источников информации сформированной системы);

· оцифрованы параметры математической модели характеристики мощности ВЭУ Т600-48;

· получены уточнённые оценки среднегодовой выработки электроэнергии ВЭУ Т600-48 для площадок метеостанций Крыма с частично затенёнными датчиками характеристик ветра;

· построены карты ветрового энергетического потенциала Крыма; оцененная ошибка моделирования ВЭП составляет 5.6%;

· определена площадь территорий Крыма, имеющих информационно подтверждённый высокий ветроэнергетический потенциал -- 2.7-3.4 тыс. км2. Эти территории расположены на Тарханкутском полуострове, на западном побережье Черного моря от Евпатории на север к Тарханкутскому полуострову, а также на севере Керченского полуострова;

· установлено, что на 10% указанной территории можно рационально разместить ветроэнергетические мощности, генерирующие ежегодно в среднем 7.3-9.4 млрд. кВт·час, что сопоставимо с годовым потреблением электроэнергии Крыма;

· установлено, что развитие ветроэнергетики в Крыму следует осуществлять системно, с учётом как ВЭП территорий, так и графиков и объёмов ввода в действие маневренных мощностей, а также мероприятий по модернизации электрических сетей -- в этом случае установленная мощность ВЭС Крыма в обозримом будущем вполне может быть доведена 750 МВт.

Разработанные в диссертации методы и модели позволяют осуществлять всестороннее исследование ветрового энергетического потенциала региона, являются научной базой для решения соответствующих задач в рамках государственной “Комплексной программы строительства ВЭС в Украине”.

Ключевые слова: ветровой энергетический потенциал, ветровая электрическая установка, выработка электроэнергии, математическое моделирование.

Ramazanova Z.U. Methods for regional wind energy potential forecasting. -- Manuscript.

The dissertation for a candidate of engineering science degree, speciality 05.14.08 -Renewable energy sources transformation. -- The Institute of Renewable Energy of National Ukrainian Academy of Sciences, Kyiv, 2008.

There have been performed theoretical researches on long-term wind energy forecasting in the region and as a result practical data have been obtained.

The analysis of previously carried out researches has proved the necessity to set up new systemic tools that would allow gaining full picture about regional wind energy potential. In due course it would be used for forming up the strategy to develop wind power engineering in the region.

New methods have been offered: estimation of spatial representativeness of long-term data availability on wind energy parameters in the region ; mathematical modeling of WT capacity parameters with combined control unit (passive-active type); refined calculations of WT electricity production based on primary wind speed data recorded on weather stations; electricity production precise estimation based on wind speed data (aggregated data in accordance with World weather station; electricity production estimation under conditions of partial shading of wind speed sensors at weather stations.

The developed methods and models were applied to solve the discussed problem in the Crimea. The relevant long-term wind energy potential forecasting maps have been made-up; they consider information availability level about wind speed parameters. Taking into account wind energy potential on the Crimean territory and perspectives for power grid development on the peninsula the forecast for wind electricity production has been made.

Key words: wind energy potential, WT (wind energy unit), electricity production, mathematic modeling.

Размещено на Allbest.ru

...