Величко С. А.

Харківський нац. університет ім. В.Н. Каразіна, каф. географ. моніторингу та охор. прир., аспірант

Науковий керівник: проф., зав. каф. географ. моніторингу та охор. природи, д.т.н. І.Г. Черваньов

Комплексне використання геліо- та вітроенергетичних ресурсів (на прикладі ГІБРИДНОЇ ГЕЛІО-ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНОЇ СИСТЕМИ хну)

Одним з головних недоліків відновлюваних джерел енергії, зокрема сонячної та вітрової, є нерівномірність і певна непередбачуваність їхнього часового розподілу. На практиці ця проблема вирішується декількома шляхами, одним з яких є використання гібридних систем, що складаються з різних типів установок альтернативної енергетики. Надалі, зосередимося саме на цій можливості як такій, що найбільш ощадлива щодо капіталоємності альтернативних джерел енергії й водночас достатньо гнучка відносно використання природних ресурсів.

Останнім часом набувають широкого використання саме такі гібридні системи, що включають до себе сонячні та вітрові установки, а також акумуляторні батареї. Використання таких систем має значні кліматичні передумови в помірно-континентальних областях земного шару, де циркуляція атмосфери здійснюється у вигляді циклонічної та антициклонічної діяльності. Останні створюють кліматичні передумови для антисиметрії динаміки геліо- та вітроенергетичних ресурсів протягом року.

Метою даної статті є аналіз часової динаміки геліоенергетичних (ГЕР) та вітроенергетичних ресурсів (ВЕР) через характеристику повторюваності різних типів добової продуктивності гібридної геліо-вітроенергетичної системи ХНУ.

Вихідні дані. Для дослідження природних передумов комплексного використання сонячної та вітрової енергії в Україні автором було проаналізовано динаміку виробітку енергії сонячною та вітровою установкою, що разом з акумуляторними потужностями являють собою приклад гібридної системи альтернативної енергетики в умовах м. Харкова. Така експериментальна система функціонує у Лабораторії комп’ютерних технологій та альтернативної енергетики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.

Склад і конфігурація гібридної системи такі. Вона представлена двома фотоелектричними панелями загальною потужністю 100 Вт, що змонтовані на стіні головного корпусу, котра має південну експозицію. Вони зорієнтовані на південь та нахилені до горизонтальної поверхні під кутом 40^°. До гібридної системи входять також вітроенергетична установка ВЕУ‑075, встановленою потужністю 750 Вт, що розміщена на даху будівлі ХНУ; акумуляторні потужності. У якості демонстраційного блоку сконструйовано й встановлено стенд моніторингу поточних значень виробітку енергії. На стенді відображуються поточні потужності усіх генераторів електроенергії, напруги та заряду акумулятора, а також поточні значення швидкості та напрямку вітру, що фіксуються анеморумбометром, встановленим на вежі вітроагрегату, і передаються для відображення й запису у комп’ютерну пам'ять для наступної обробки, тобто створюють автоматичну систему енергомоніторингу.

Для аналізу динаміки виробітку енергії сонячною та вітровою установкою автором було створено комп’ютерну програму, що фіксує та зберігає усі вищевказані значення з інтервалом 5 секунд. За допомогою цієї програми автором було зібрано та проаналізовано дані стосовно динаміки потужності сонячної та вітрової установок та швидкості вітру за період з квітня 2005 року до січня 2006 року. Дані представлено у вигляді графіків, що відображають динаміку виробітку енергії сонячною та вітровою установками, а також швидкість вітру з інтервалом осереднення їх значень у 30 секунд.

Аналіз даних. Для характеристики та опису зібраних даних було проведено класифікацію діб за продуктивністю сонячної та вітрової установок у гібридній системі. В результаті останньої було виділено 4 типи розподілів добової продуктивності гібридної системи (ДПГС) по днях:

1 тип. Доба, протягом якої геліо- та вітрові ресурси є значними. Такий тип спостерігається, у багатьох випадках, коли „змінюється погода”, коли надходять або утворюються циклони. У такий день хмари незначних розмірів переміщуються по небу та спричиняють значні коливання потужності сонячної установки протягом світлої частини доби. Швидкість вітру є також значно мінливою. Відповідно до цього у такий день і сонячна, і вітрова установка можуть виробити достатню кількість енергії.

2 тип. Доба, коли значними є ГЕР, а ВЕР є мінімальним. Такому типові відповідають дні з характерною антициклонічною погодою. Тобто сонячні батареї можуть виробити необхідну кількість енергії, а ВЕУ – ні.

3 тип. Доба зі значними ВЕР та мінімальними ГЕР. Цьому типові, навпаки, відповідають дні з інтенсивною циклонічною діяльністю, періоди проходження холодних фронтів та фронтів оклюзії. Відповідно виробіток необхідної кількості енергії може забезпечити тільки ВЕУ.

4 тип. Доба, коли ГЕР і ВЕР є одночасно мінімальними. Спостерігається, при проходженні теплих фронтів та при розвитку мікроциркуляційних процесів, особливо за інверсії температури приземного шару повітря. У такий день ні ВЕУ, ні СБ не можуть забезпечити виробіток необхідної кількості енергії. Споживання необхідної кількості енергії можуть забезпечити тільки акумуляторні потужності.

Така класифікація є схожою до класифікацій типів погод та типів атмосферної циркуляції. Проте використання їх у даному досліджені є значно обмеженим через наступні причини. Класифікації типів погод, що представлені наприклад у роботах [1, 2], базуються головним чином на показниках температури, вологості та опадів, які спричиняють тільки другорядний вплив на ГЕР та ВЕР. Показники ж інсоляції або вітру слабо враховуються. Типи атмосферної циркуляції, зокрема типи елементарних циркуляційних механізмів, що розроблені у роботах Дзердзеєвського, наприклад у [3], тісно пов’язані з динамікою геліо- та вітроенергетичних ресурсів, проте між ними та типами ДПГС немає чіткої відповідності, тому що різні типи ДПГС можуть спостерігатись при одному типи елементарних циркуляційних механізмів.

Виділені типи розподілу добової продуктивності гібридної системи мають різну повторюваність протягом кожного місяця. На рис. 1 показаний розподіл типів ДПГС по місяцях (з травня 2005 р. по січень 2006 р.), що спостерігались у вищевказаній лабораторії альтернативної енергетики. На рисунку видно, що у травні та червні найбільшу повторюваність мав 1 тип ДПГС, тобто протягом більшої частини цих місяців геліо- та вітроенергетичні ресурси мались у необхідній кількості. Крім того, значну частину цих місяців займають 2 та 3 типи ДПГС, що перш за все говорить про доцільність комплексного використання геліо- та вітроенергетичних ресурсів. Мінімальними значеннями у цей період характеризується 4 тип ДПГС.

Рис. 1. Розподіл типів ДПГС по місяцях за даними функціонування

гібридної енергосистеми ХНУ

У період з липня по вересень 2005 р. найбільшу повторюваність мав 2 тип розподілу ДПГС з достатніми значеннями геліоенергетичних ресурсів. Меншою, проте значною, повторюваністю характеризується 1 тип ДПГС, що говорить про одночасну наявність як геліоенергетичних так і вітроенергетичних ресурсів. Кількість діб з 3 та 4 типом ДПГС була мінімальною у цей період. Тобто, це відображає мінімальну доцільність комплексного використання ГЕР і ВЕР у цей період.

У жовтні 2005 р. різко збільшилось значення вітроенергетичних ресурсів: 3 тип ДПГС спостерігався 9 діб порівняно з 2 добами у вересні. У листопаді значення ВЕР ще збільшилось до 13 діб з 3 типом ДПГС. Відповідно значення геліоенергетичних ресурсів зменшилось до 8 у жовтні та 5 у листопаді діб з 2 типом ДПГС. Необхідно також відмітити, що значно збільшилась частка 4 типу ДПГС, для якого характерна відсутність достатньої кількості як геліоенергетичних так і вітроенергетичних ресурсів.

У грудні значну перевагу мав 3 тип ДПГС, частка 2 та 1 типів була мінімальною. Зберігаються високі значення 4 типу, які залишились великими і у січні 2006 р. Проте у січні збільшилась частка 2 типу з великими значеннями геліоенергетичних ресурсів, що пов’язано з антициклонічною діяльністю.

Таким чином, найбільший вплив за розглянутий період мали 2 та 3 типи ДПГС, що говорить про доцільність комплексного використання ГЕР та ВЕР. Проте потрібне більш детальне та багаторічне дослідження динаміки продуктивності вітроустановки та сонячних батарей, та ДПГС, що буде представлено у подальших роботах автора.

Література:

1. Чубуков Л.А. Комплексно-динамико-климатологический анализ // Проблемы физической географии.– М.: Изд-во АН СССР, 1948. – Вып.13. – С. 29–45.

2. Woś A. Klimat Polski. – Warsawa: Wydawnitstwo naukove PRW, 1999. – 304 p.

3. Дзердзеевский Б.Л. Циркуляционные механизмы в атмосфере северного полушария в XX столетии. – М.: Изд-во АН СССР, 1968. – 236 с.