Архивы 2001 - Атлас ветров России

Атлас ветров России

Безруких П. П., канд. техн. наук, Ландберг Л., инж., Старков А. Н., доктор мат. наук

В 2000 г. завершился фундаментальный проект по разработке Атласа ветров России [1] на основе международных стандартов, использованных в Атласе ветров Европы [2]. Работа по созданию Атласа велась в течение 5 лет Российско-Датским институтом энергоэффективности (РДИЭЭ, г. Истра Московской области) совместно с Национальной лабораторией Рисо (г. Роскильде, Дания) под руководством Минэнерго России. Проект финансировался Датским энергетическим агентством. Атлас издан на 560 страницах формата A4 в твердом переплете, с цветными иллюстрациями и приложенной к нему дискетой с базой данных по 332 метеостанциям.
Успех столь масштабного проекта был бы невозможен без финансовой и научной поддержки датской стороны. Хорошо известно, что Дания является мировым лидером в производстве ветроэнергетических установок (ВЭУ). С другой стороны, лаборатория Рисо входит в тройку крупнейших научных центров мира в физике атмосферы, тестировании ВЭУ и оценке ветрового потенциала. Именно в лаборатории Рисо в 1989 г. был впервые разработан Атлас ветров Европы.
Стоит упомянуть, что несколько вариантов Атласа ветровых ресурсов России имелось и ранее [3], [4]. Все прежние карты ресурсов, как правило, были основаны на средних многолетних скоростях ветра, измеренных в 30 - 60-е годы и отраженных в Справочнике по климату СССР [5]. При этом обработка данных сводилась к приведению показаний к стандартной высоте 10 м над уровнем земли (н.у.з.), поскольку высота измерительных приборов на метеостанциях может варьироваться в пределах 9 - 15 м н.у.з. В более современных исследованиях по отдельным регионам России (таким, как Карелия или Кольский п-ов) уже учитывались условия открытости метеостанций на основе классификации Милевского. Дело в том, что окружающие условия (характер рельефа, наличие построек, лесов и т.д.) существенно влияют на показания приборов и поэтому, безусловно, должны приниматься во внимание. Однако, поскольку классификация Милевского проводилась визуально (и, стало быть, субъективно), она не может служить надежным источником. К тому же со времени проведения классификации многие метеостанции были перенесены или застроены в их непосредственной близости.
Новый Атлас ветров составлен на основе следующих данных:
статистики о силе и направлении ветра, собранной в 70 - 90-е годы с 332 метеостанций России;

Примечание. 1 - средняя скорость ветра, м/с; 2 - средняя плотность энергии ветра, Вт/м2.
сведений о переносах станций и изменениях высоты анемометра;
компьютерных карт местности в радиусе 5 - 10 км от каждой метеостанции.
Это позволило провести “очистку” метеоданных от окружающих условий и получить объективную картину ветрового режима с помощью программного комплекса WAsP, разработанного в лаборатории Рисо [6]. В настоящее время такой способ оценки ветровых ресурсов является международным стандартом, используемым при строительстве ветроэнергетических станций (ВЭС).
Вкратце опишем процесс “очистки” данных от влияния местных условий. Предположим, что мы имеем статистику по скорости и направлению ветра, собранную в 1985 - 1994 гг. на метеостанции Николаевск-на- Амуре. Измерения показывают, что на высоте анемометра 13,7 м н.у.з. средняя скорость ветра в этот период составила 3,7 м/с. Однако нам важно не только среднее значение скорости, но и частотное распределение скорости ветра в каждом из 16 направлений [применяемые в настоящее время анемометры, как правило, фиксируют направление ветра по 16 секторам: С (север), ССВ (северо-северо-восток), СВ (северо-восток) и т.д.]. Из описания метеостанции мы узнаем, что она располагается в 3 км к 3 от города, в долине нижнего течения реки Амур в 1,5 км к С от уреза воды, а в 5 - 8 км к С, СВ и С3 находятся горные хребты высотой до 400 м. Это приводит к существенному искажению ветрового потока: в розе ветров резко преобладают 3 и В направления (по ориентации долины реки). Кроме того, к Ю от станции протекает река шириной несколько километров (наличие водной поверхности всегда ускоряет ветровой поток), а склоны горных хребтов покрыты хвойными лесами (что приводит к замедлению потока).
Разумеется, точный учет местных факторов невозможен без наличия компьютерной карты местности, которая может быть получена оцифровкой обычной топографической карты (скажем, масштаба 1 : 100 000) и которая отражает: строение рельефа;
характер подстилающей поверхности (т.е. наличие водоемов, лесов, сельхозугодий и т.д.); точное расположение метеостанции; наличие близлежащих построек.
Обработка данных, как уже было сказано, проводится компьютерной программой WAsP, основанной на знании законов пограничного слоя, геострофического трения, гидродинамической модели ветрового потока в холмистой местности, вертикального профиля ветра и т.д. Например, в случае со станцией Николаевск-на-Амуре анализ с помощью WAsP показывает, что на высоте 50 м н.у.з. в условиях открытой ровной поверхности (класс шероховатости 1) средняя скорость ветра составляет 4,8 м/с, а над водной поверхностью (класс шероховатости 0) - 5,8 м/с.
Проведенные таким образом расчеты позволяют привести все метеоданные к стандартным условиям, получить характерные для каждого региона значения и построить достаточно объективную карту ветровых ресурсов. На рисунке изображено распределение ветровых ресурсов (средняя скорость ветра и средняя плотность энергии ветра) на высоте 50 м н.у.з. для пяти различных топографических условий. Из карты видно, что наибольший потенциал ветра имеется в прибрежных территориях Крайнего Севера и Дальнего Востока, а наименьший - в континентальной части Сибири.
В Атласе имеются более подробные цветные карты ресурсов с изображением административного деления, основных рек и городов. Имея в распоряжении такую карту, можно составить приблизительное представление о перспективах использования ветровой энергии в своем регионе. Более того, зная характер местности и используя достаточно несложные правила и таблицы, представленные в Атласе, можно внести поправку к региональным характеристикам и оценить среднюю скорость ветра в конкретном месте с несложными топографическими условиями. Например, зная региональные характеристики ветра, полученные со станции Николаевск-на-Амуре, можно в первом приближении оценить ветровой потенциал в любом населенном пункте, находящемся в прибрежной части Хабаровской области. Однако достоверная оценка ветрового потенциала на предполагаемом месте строительства ВЭС требует наличия компьютерной карты данной местности и решения обратной задачи: корректировки региональных характеристик с учетом местных условий (что опять-таки легко делается с помощью WAsP). Особое значение приобретает использование компьютера в условиях гористой местности или в черте города.
Кроме карт ветровых ресурсов, Атлас содержит обширную теоретическую часть и данные обработки для 200 станций. Данные по каждой станции представлены на двух страницах и включают:
краткое физико-географическое описание станции, ее географические координаты и высоту над уровнем моря;
картину рельефа, полученную из топографической карты;
входную таблицу распределения скорости ветра по направлениям;
розу ветров и гистограмму распределения ветра по скоростям;
таблицу поправочных коэффициентов с учетом рельефа, шероховатости подстилающей поверхности и наличия затеняющих препятствий в каждом из 12 направлений;
выходную таблицу регионально-репрезентативных характеристик ветра для пяти стандартных высот (10, 30, 50, 100 и 200 м) и четырех стандартных топографических условий.
Для всех 332 метеостанций входная и выходная таблицы содержатся на приложенной к Атласу дискете.
Особое внимание в Атласе уделено обсуждению такого явления, как снижение измеряемых скоростей ветра по сравнению с данными, представленными в [5] (что характерно для большинства континентальных метеостанций). Например, средняя измеренная скорость ветра на метеостанции Ново-Иерусалим (1 км к ЮЗ от РДИЭЭ) снизилась с 3,2 м/с (1936 - 1963 гг.) до 2,2 м/с (1985 - 1994 гг.). Этот феномен имеет несколько объяснений, таких как наличие векового хода, замена старых измерительных приборов (доска Вильда) на анемометры, интенсивная застройка окрестностей метеостанций и др. С другой стороны, это привело к тому, что во многих регионах оценка ветровых ресурсов получилась более реалистичной по сравнению с предыдущими исследованиями.
Разумеется, достоверность любой карты ветровых ресурсов сильно зависит от плотности расположения используемых метеостанций. Равномерность покрытия территории России частично была достигнута тем, что в каждом из 89 субъектов Российской Федерации авторами Атласа выбиралась хотя бы одна метеостанция. К сожалению, за последние 15 лет сеть опорных метеостанций сократилась в 2 - 3 раза, и это (а также ограничения временного и финансового характера) не позволило привлечь для разработки Атласа большее число станций. Поэтому представляет интерес разработка уточненных карт ветровых ресурсов отдельных регионов. Заинтересованные организации могут обратиться в РДИЭЭ, имеющий доступ ко всем необходимым данным, лицензированную копию WAsP, а также большой опыт подобного рода.
Отметим другие возможности программы WAsP при наличии Атласа ветров и топографической карты местности:
оценка ветрового потенциала каждого конкретного места;
подбор оптимального места строительства ВЭС;
подбор оптимального типа ВЭУ на основе имеющейся базы данных с мощностными кривыми более 50 различных ВЭУ западных фирм;
прогноз годовой выработки электрической энергии, выбранной конкретной ВЭУ в заданном месте.
Таким образом, Атлас ветров рассчитан на следующие группы пользователей. Прежде всего, это научноисследовательские и проектные организации, занимающиеся проблемами использования ветра для энергоснабжения. Сотрудники администраций субъектов Российской Федерации с помощью Атласа также смогут оценить реальность вклада ВЭУ в энергоснабжение подведомственных районов. Само собой разумеется, что Атлас окажется весьма полезным учебным заведениям, готовящим специалистов в области возобновляемых источников энергии.
Атлас необходим, по нашему мнению, и производителям ВЭУ ввиду того, что лучшей рекламой для них является достижение ВЭУ запланированной выработки электроэнергии. А поскольку вырабатываемая электроэнергия зависит от скорости ветра в третьей степени, то, скажем, ошибка на 10% в определении скорости ветра приводит к ошибке на 33% в определении выработки. Кстати, любая западная фирма-производитель начинает обсуждение о возможной продаже ВЭУ с обсуждения вопроса о том, где она будет использоваться и какова там среднегодовая скорость ветра на высоте оси ВЭУ. И если эта скорость менее 5 м/с, то обсуждение вопроса прекращается, поскольку это пороговая величина эффективности ВЭУ
Надеемся, что появление Атласа ветров в сочетании с современными компьютерными методами послужит более динамичному развитию российской ветроэнергетики.

Список литературы

1. Атлас ветров России/ Старков А. Н., Ландберг Л., Безруких П. П., Борисенко М. М. М.: РДИЭЭ - Рисо, 2000.
2. Тгосп I., Petersen E. L. European Wind Atlas. Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark, 1989.
3. Красовский В. H. Ветроэнергетические ресурсы СССР и перспективы их использования: Атлас энергоресурсов СССР. М.: Энергоиздат, 1935.
4. Борисенко М. М., Стадник В. В. Атласы ветрового и солнечного климатов СССР. С-Пб.: Изд-во ГГО им. А. И. Воейкова, 1997.
5. Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1967 - 1969.
6. Wind Atlas Anakysis and Application Program: WAsP 7 / 0 Help Facility / Mortensen N. G., Heathfield D. N., Landberg L., Rathmann O., Troen I., Petersen E. L. Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark. 2000.