Процедура моделирования скорости ветра в точке расположения объекта по данным МС-аналога с учетом ландшафта местности
АНАЛИЗ ВЕТРОВЫХ РЕСУРСОВ
Для оценки возможности использования ветровой энергии необходимо иметь достоверную информацию о ветре, как источнике энергии, которая может быть получена в результате статистического анализа наблюдений на наземной метеостанции (МС) и аэрологических метеостанциях (АМС). В качестве исходных данных по МС берутся многолетние ряды наблюдения за скоростью и направлениями ветра из специализированной базы данных (СБД) «Расписание погоды» [2].
На сайте «Расписание Погоды» представлена климатическая информация о погоде в 152 странах. Прогнозы полностью обновляются на сайте дважды в сутки: к 9 и 21 часу по летнему московскому времени. Свежие данные наблюдений добавляются в архив (базу) данных восемь раз в сутки, через каждые три часа: как правило, в 0:00, 3:00, 6:00, 9:00, 12:00, 15:00, 18:00 и 21:00 по летнему московскому времени. Вданной СБД представлена климатическая информация по 25–и параметрам, начиная с 1 февраля 2005 г. по настоящеевремя.
Метеорологические величины, представленные в СБД «Расписание Погоды» проходят предварительно процедуру контроля данных о фактической погоде, поступающих с метеостанций. Для каждой МС процедура отбраковывает грубые ошибки в наблюдениях. Новое значение сравнивается с данными, поступившими для этой метеостанции за последние 14 суток.
Для г.Волжский ближайшая станция МС находится в г. Волгоград, на сайте имеются данные наблюдений за период с 01.02.2005г. по настоящее время.
Основные исходные данные для процедуры оценки места - это данные измерений различных метеорологических параметров, которые образуют входные данные для расчетных процедур с целью их экстраполяции на соответствующие положения и высоты. К обязательным измеряемым данным относятся: скорость ветра; направление ветра; турбулентность. Температуру, давление и влажность воздуха рекомендуется измерять также на месте, но они могут быть получены и из других имеющихся источников в данной местности.
Система сбора данных должна записать и сохранить осредненные 10-и минутные значения скорости ветра, среднеквадратичные отклонения, а также минимальные и максимальные значения. Период измерений должен охватывать не менее 12 полных и последовательных месяцев, по крайней мере, для одной мачты на исследуемом месте, чтобы можно было оценить сезонные колебания скорости ветра.
Анализ исходных данных на площадке МС
Была проведена коррекция исходного ряда: устранены все найденные неоднородности и некорректные значения измерений.
Анализ данных на площадках МС проводился для каждого года и за весь период наблюдений. Определяем количество пропусков данных: измерения на МС проводятся каждые 3 часа, соответственно за год должно быть 2920 измерений.
Достаточность ряда наблюдений за период наблюдений определяется поформуле:
(3.1)
где D, % - полнота ряда наблюдений; т – фактическое количество измерений за период наблюдений (в нашем случае один год); n– количество измерений при полном ряде.
Определение средней скорости ветра произведем по формуле:
(3.2)
где n– общее количество всех наблюдений скорости ветра за время T, Vi-средняя скорость ветра, определяемая за фиксируемый интервал времени.
Результаты представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Анализ ряда наблюдений на площадке АМС Волгоград
| Год | Количест-во значений | Количество измерений | Полнота ряда, % | Vср, | Vмн,м/c | δ,% |
| значений | м/c | |||||
| 90,1 | 4,79 | 4,98 | -3,88 | |||
| 98,8 | 4,74 | -4,87 | ||||
| 99,7 | 4,86 | -2,36 | ||||
| 98,6 | 4,57 | -8,14 | ||||
| 99,1 | 4,68 | -6,10 | ||||
| 99,5 | 5,36 | 7,60 | ||||
| 99,6 | 4,98 | -0,02 | ||||
| 99,8 | 5,20 | 4,39 | ||||
| 99,3 | 5,09 | 2,24 | ||||
| 100,0 | 5,35 | 7,45 | ||||
| 99,8 | 5,29 | 6,14 | ||||
| 99,8 | 4,75 | -4,53 |
В качестве расчетного года принимается 2011 год, так как полнота ряда больше 95%, и среднегодовая скорость отличается от среднемноголетней на 0,02%.
Следует отметить, что многолетние вариации среднегодовой скорости ветра несущественны, меняются от 0,02 до 8,14 %.
Для оценки среднемноголетней скорости ветра достаточно иметь ряд длительностью 5-10 лет, а при оценке перспективности сооружения ВЭУ требуется ряд наблюдений не менее 30 лет. Для анализа изменения скорости ветра в многолетнем разрезе на рисунке 3.1 представлено изменение среднегодовой скорости ветра по годам. Чтобы спрогнозировать скорость ветра на будущий период была предпринята попытка построить линейную линию тренда, которая оказалась неудачной (см. рисунок 3.1).
Рисунок 3.1-Многолетняя вариация среднегодовой скорости ветра
Рисунок 3.2-Повторяемости направлений ветра на территории г.Волжский
Также важно иметь представление, как меняется динамика годовой вариации в многолетнем разрезе, который должен быть не менее 10-12 лет [3, 4]. За весь период наблюдений для МС были определены: среднемесячные скорости ветра, среднегодовые на высоте 10 м. и пересчитаны в о.е. Анализ годовых вариаций в многолетнем разрезе рассматривался в виде нормированного годового хода, определяемого отношением среднемесячных значений скорости ветра 
(j=1,…,12) к среднегодовой 
– 
:
. (3.3)
Результаты расчета представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.3. Так же было проведено сопоставление годовой вариации скорости ветра за выбранный 2011 год и среднемноголетний.
Таблица 3.2 – Годовые вариации среднемесячных значений скорости ветра во.е.
| год | ||||||||||||
| - | 1,20 | 1,24 | 1,14 | 0,86 | 0,82 | 0,80 | 0,84 | 0,95 | 1,05 | 0,97 | 1,14 | |
| 1,14 | 1,03 | 1,28 | 0,88 | 0,87 | 0,87 | 0,93 | 1,00 | 1,02 | 0,88 | 1,07 | 1,03 | |
| 1,16 | 1,09 | 0,85 | 0,83 | 1,11 | 0,94 | 0,86 | 0,91 | 1,03 | 1,08 | 1,10 | 1,05 | |
| 1,10 | 1,06 | 1,19 | 1,11 | 0,90 | 0,90 | 0,92 | 0,94 | 1,02 | 0,90 | 0,91 | 1,05 | |
| 1,02 | 1,14 | 0,99 | 0,95 | 0,97 | 1,03 | 0,88 | 0,79 | 0,88 | 1,07 | 1,03 | 1,26 | |
| 1,19 | 1,33 | 1,11 | 0,98 | 0,86 | 0,92 | 0,84 | 0,85 | 0,98 | 0,98 | 0,99 | 0,98 | |
| 0,93 | 1,36 | 1,02 | 1,06 | 0,86 | 0,91 | 0,94 | 0,86 | 0,92 | 0,96 | 1,01 | 1,18 | |
| 1,02 | 1,21 | 1,19 | 0,94 | 1,03 | 0,87 | 0,91 | 0,96 | 0,89 | 0,91 | 0,82 | 1,25 | |
| 1,05 | 0,92 | 1,35 | 1,05 | 0,95 | 0,86 | 0,87 | 0,86 | 0,97 | 0,89 | 1,05 | 1,17 | |
| 1,12 | 1,13 | 1,28 | 1,15 | 0,98 | 1,01 | 0,86 | 0,83 | 0,82 | 0,77 | 1,01 | 1,06 | |
| 1,23 | 1,01 | 1,19 | 1,16 | 0,87 | 0,81 | 0,86 | 0,80 | 0,83 | 0,94 | 1,08 | 1,23 | |
| 1,15 | 1,22 | 1,07 | 1,15 | 0,80 | 0,75 | 0,74 | 0,99 | 0,98 | 0,93 | 1,10 | 1,11 | |
| среднемн | 1,10 | 1,14 | 1,15 | 1,03 | 0,92 | 0,89 | 0,87 | 0,89 | 0,94 | 0,95 | 1,01 | 1,13 |
| отн. откл. среднемн. от 2011 | -15,81 | 18,97 | -10,89 | 2,98 | -6,36 | 1,75 | 7,81 | -2,79 | -2,52 | 1,02 | 0,02 | 5,05 |
Рисунок 3.3 – Годовые вариации скорости ветра на площадке АМС Волгоград
Анализ выявил, что на площадке АМС Волгоград максимальные значения скорости ветра в разные годы наблюдаются с ноября по март месяцы, а минимальные значения скорости ветра приходятся либо на июль либо на август месяцы.
Наибольшее отклонение среднемесячных значений скорости ветра характерного 2011 года от значений среднемноголетнего года составляет 18,97% и наблюдается оно только в одном месяце - в феврале.
Процедура моделирования скорости ветра в точке расположения объекта по данным МС-аналога с учетом ландшафта местности
Входные данные: модельный годовой ряд часовых значений скорости ветра в условиях АМС Волгограда высоте флюгера 10 м. Выходные данные: модельный годовой ряд часовых значений скорости ветра в условиях объекта на высоте флюгера 10 м. Моделирование годового ряда часовых значений скорости ветра в условиях площадки объекта на высоте 10 м производился с учетом направления ветра по формуле:
, (3.4)
где i - порядковый номер часа (i=1,…,n); j - порядковый номер румба, соответствующий одному из направлений ветра; 
- срочная скорость ветра в условиях МС на высоте 10 м; 
- срочная скорость ветра в условиях площадки объекта на высоте 10 м; 
- поправочный коэффициент на рельеф и открытость местности по j-ому румбу.
Тип рельефа в условиях АМС Волгоград и в условиях площадки объекта относится к одному типу [4] - плоский с естественными и искусственными препятствиями с высотой до 50 м. Следовательно, поправочный коэффициент на рельеф и открытость местности 
по каждому ( j-ому) румбу можно определить по формуле:
, (3.5)
где 
и 
– классы открытости на площадках МС и объекта по j-ому румбу по классификации Милевского. В условиях АМС Волгоград значения были получены из СБД «Ветер», а в условиях площадки объекта оценены по топографическим картам (см.таблицу 3.3).
Таблица 3.3 - Классы открытости в условиях площадки объекта и АМС Волгоград
Румб  | С | СВ | В | ЮВ | Ю | ЮЗ | З | СЗ |
| | ||||||||
| | ||||||||
 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,3 | 1,3 | 1,1 |
Как видно из таблицы 3.3 не существенны расхождения открытости площадок МС-аналога и объекта по всем 8 румбам.
Блок моделирования вертикального профиля ветра в точке объекта по данным аэрологической станции (АМС)
Входные данные: координаты месторасположения объекта:
48º 47´с.ш., 44º 46´в.д.
Выходные данные: многолетние среднемесячные показатели mlстепенной функции вертикального профиля ветра.
Для построения вертикального профиля ветра были рассмотрены данные АМС из СБД «Вертикальный профиль ветра». Определим все ближайшие к площадке объекта АМС из СБД «Вертикальный профиль ветра» [5]. Были определены ближайшие АМС в радиусе 500 км: Ростов-на-Дону, Минеральные Воды и Туапсе. В таблице 3.4 по каждой АМС приводятся: географические координаты: широта, долгота, высота над уровнем моря, а также удаление от населенного пункта.
Таблица 3.4 - Географические координаты МС и АМС, ближайшие к г.Волжский
| Название | Координаты МС | ||
| Широта, | Долгота, | Высота, | |
| гр. с.ш. | гр. в.д. | м | |
| АМС Волгоград | 48,7 | 44,3 | |
| АМС Ростов-на-Дону | 45,3 | 39,8 | |
| АМС Минеральные Воды | 44,2 | 43,1 | |
| АМС Туапсе | 44,1 | 39,1 |
Выбор АМС-аналога проводился по критерию схожести формирования ветра на площадках объекта и АМС на высоте 10 метров.
В таблице 3.5 приведены многолетние среднемесячные скорости ветра на площадках АМС Волгоград, АМС Ростов-на-Дону, АМС Минеральные Воды и АМС Туапсе.
Таблица 3.5-Многолетние среднемесячные скорости ветра (в м/с) на площадках АМС Волгоград, АМС Ростов-на-Дону, АМС Минеральные Воды и АМС Туапсе
| Название/ Месяц | ||||||||||||
| МС Волгоград | 4,6 | 6,8 | 5,1 | 5,3 | 4,3 | 4,5 | 4,7 | 4,3 | 4,6 | 4,8 | 5,0 | 5,9 |
| АМС Волгоград | 7,9 | 7,9 | 7,4 | 6,4 | 5,8 | 4,9 | 4,8 | 5,1 | 5,1 | 6,2 | 6,7 | 7,3 |
| АМС Ростов-на-Дону | 6,9 | 7,8 | 6,3 | 5,5 | 4,9 | 3,9 | 4,3 | 4,1 | 4,2 | 4,4 | 5,9 | 5,9 |
| АМС Минеральные Воды | 3,6 | 3,8 | 3,6 | 2,5 | 2,7 | 2,6 | 2,8 | 3,5 | 3,4 | |||
| АМС Туапсе | 6,7 | 6,5 | 5,7 | 3,4 | 3,5 | 3,2 | 2,8 | 4,3 | 6,2 | 7,6 |
В таблице 3.6 и на рисунке 3.4 приведено сопоставление многолетних среднемесячных значений скорости ветра в о.е.(на высоте 10 м)на площадках АМС Волгогради АМС: Ростов-на-Дону,Минеральные Воды и Туапсепо данным СБД «Погода России».
Таблица 3.6- Среднемесячные (многолетние) скорости ветра на высоте 10м (в о.е.) на площадках МС Волгоград, АМС Волгоград и АМС: Ростов-на-Дону, Минеральные Воды и Туапсе
| Название/ Месяц | ||||||||||||
| МС Волгоград | 1,10 | 1,14 | 1,15 | 1,03 | 0,92 | 0,89 | 0,87 | 0,88 | 0,94 | 0,94 | 1,01 | 1,13 |
| АМС Волгоград | 1,26 | 1,26 | 1,18 | 1,02 | 0,92 | 0,78 | 0,76 | 0,81 | 0,81 | 0,99 | 1,06 | 1,16 |
| АМС Ростов-на-Дону | 1,29 | 1,46 | 1,18 | 1,03 | 0,92 | 0,73 | 0,80 | 0,77 | 0,79 | 0,82 | 1,10 | 1,10 |
| АМС Минеральные Воды | 1,12 | 1,25 | 1,18 | 1,12 | 0,94 | 0,78 | 0,84 | 0,81 | 0,94 | 0,87 | 1,09 | 1,06 |
| АМС Туапсе | 1,41 | 1,37 | 1,20 | 0,72 | 0,74 | 0,67 | 0,63 | 0,59 | 0,84 | 0,91 | 1,31 | 1,60 |
| отк Волг-Волг | -13,76 | -10,04 | -2,55 | 1,46 | -0,13 | 12,55 | 11,96 | 8,28 | 13,48 | -4,38 | -5,60 | -3,12 |
| отк Волгоград-Ростов-на-Дону | -17,03 | -27,97 | -2,84 | 0,26 | 0,36 | 18,02 | 7,11 | 13,15 | 16,08 | 12,75 | -9,53 | 1,84 |
| отк Волгоград -Мин.вод. | -1,66 | -9,27 | -3,27 | -8,70 | -1,57 | 12,50 | 2,89 | 8,30 | 0,20 | 7,55 | -8,18 | 5,82 |
| отк Волгоград -Туапсе | -28,02 | -20,14 | -4,82 | 30,54 | 19,82 | 24,22 | 26,99 | 33,18 | 9,96 | 3,94 | -29,66 | -42,45 |
Рисунок 3.4 – Среднемесячные (многолетние)значения скорости ветра во.е.(на высоте 10 м) на площадках МС Волгоград, АМС Волгоград и АМС: Ростов-на-Дону, Минеральные Воды и Туапсе
На площадках МС Волгоград и АМС Волгоград идентичны условия формирования ветра: критерий соответствия 
в течение года не нарушается; одинаковые классы открытости; не существенное расхождение в высотных отметках над уровнем моря. Следовательно, АМС Волгоград может быть выбрана в качестве АМС-аналога для площадки ВЭС вблизи г.Волжский
На площадке АМС Волгоград из СБД «Вертикальный профиль ветра» была получена эмпирическая внутригодовая закономерность изменения показателя Хеллмана ml степенной зависимости вертикального профиля ветра от среднемесячной скорости ветра:
( 3.6)
Рисунок 3.5 –Внутригодовая закономерность изменения показателя mlот среднемесячной скорости ветра 
для АМС Волгоград
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cайт «Википедия свободная энциклопедия» [Электронный ресурс].- Режим доступа:http://ru.wikipedia.org/wiki/
2. Сайт «Расписание погоды» [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://rp5.ru/
3. Национальный Кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения. Николаев В.Г., Ганага С.В., Кудряшов Ю.И./Под редакцией В.Г. Николаева, М.: Изд. «АТМОГРАФ». 2008. 584 с.
4. Основные характеристики ветра. Ресурсы ветра и методы их расчета. Учебное пособие. Дерюгина Г.В., Малинин Н.К., Пугачев Р.В., Шестопалова Т.А. – М.: Издательство МЭИ, 2013.
5. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620870. Специализированная база данных «Вертикальный профиль ветра» / Васьков А.Г., Дерюгина Г.В., Тягунов М.Г., Чернов Д.А.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» - №2012620664; заявл. 28.06.2012; опубл. 28.08.2012.
6. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2012620870. Специализированная база данных «Современное ветроэнергетическое оборудование» / Дерюгина Г.В., Мельник Н.А., Пугачев Р.В.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» - №2013620783; опубл. 03.07.2013.