Исследование ветрового режима для целей ветроэнергетики

Курсовая работа

тема

Исследование ветрового режима для целей ветроэнергетики

План

1. Общие сведения о ветроэнергоресурсах

1.1 Климатическая информация и её роль в энергетике

1.2 Энергетические ресурсы ветра

1.3 Виды энергоустановок

1.4 Метеорологические факторы, характеризующие местоположение ветроустановок

2. Физико-географические климатические особенности района

2.1. Рельеф местности

2.2. Циркуляции атмосферы

2.3. Температурный режим.

3. Оценка ветровых ресурсов района

3.1. Анализ ветрового режима

3.2. Методика расчета кадастровых характеристик ветра

3.3. Ветроэнергетический потенциал

Заключение

Список использованных источников

Ветер, как известно, является одним из наиболее мощных источников кинетической энергии, которая может быть использована при благоприятных условиях. Ввиду дефицита наиболее распространенного в наши дни источника первичных энергоресурсов — сырой нефти и высоких цен на нее, все большее значение придается поискам нетрадиционных источников энергии.

Прогресс человеческой цивилизации и дальнейшие победы людей над природой целиком и полностью зависит от находящейся в их власти энергии. Поскольку, в своей повседневной деятельности человечество потребляет все большее количество электроэнергии, то важное и огромное значение имеет решение прямого преобразования других видов энергии в электрическую.

Существует несколько путей решения этой сложнейшей научной проблемы. Один из них — использование энергии ветра. Хотя, как кажется на первый взгляд, пора ветряных мельниц миновала, однако об использовании силы ветра все чаще и чаще задумываются инженеры многих стран. Не случайно некоторые страны, не располагающие собственными запасами угля или нефти, и испытывающие финансовые затруднения, связанные с импортом топлива, много внимания уделяют изучению проблемы рационального использования силы ветра. Учитывая неограниченные возможности проникновения в толщу атмосферы, при развитии техники ветро — использования, можно считать, что по масштабам современной энергетики потенциальные возможности использования энергии ветра практически не ограничены в любой местности.

Лишь немногие источники энергии имеют столь универсальное применение, как традиционный каменный уголь и сырая нефть, также существует множество причин, исключающих возможность резкого увеличения добычи угля. В США, согласно [2], где имеются богатые запасы дешевого угля, трудности их добычи связаны с проблемами охраны окружающей среды и действующим законодательством, так как большая часть месторождений угля, выходящая на поверхность, расположена в резервациях, национальных парках или в других заповедных зонах. В Западной Европе добыча угля очень дорогая и усложняется в связи с острым дефицитом рабочей силы. Вывоз угля и нефти из развивающихся стран требует значительных капиталовложений в инфраструктуру, что связано с очень большими затратами финансовых ресурсов и времени. По этим причинам возрастающая нехватка минерального сырья должна быть компенсирована другими источниками энергии с более специфичными потребительскими свойствами и менее развитыми в настоящее время. Атомная энергия, которую всего лишь недавно рекламировали как основной заменитель нефти, в настоящее время оценивается значительно более скептически. Причина этого и в участившихся авариях при эксплуатации станций, и в ожесточившихся требованиях к технике безопасности, и до сих пор не установленной величине затрат на захоронение радиоактивных отходов.

Энергия ветра не требует доставки энергетического сырья к месту потребления, также имеет безотходное производство, с ее использованием экономятся минеральные источники, запасы которых на Земле ограничены. В настоящее время существенно возрастает потребность в экологически чистых и дешевых источниках энергии. Поэтому важное значение приобретает проблема оценки и использования ветроэнергетических ресурсов (ВЭР), которые достаточно велики.

Следует отметить [3], что проблема освоения энергии ветра интересует исследователей уже давно. Большой вклад в развитие отечественной ветроэнергетики внесли в 20−30-е гг. — Н. В. Красовский и Н. В. Симонов, в 50−60-е гг. — Е. М. Фатеев и Г. А. Грегиевич, в 70-е гг. Я. И. Шефтер и др. В нашей стране вопросы ветроэнергетики начали разрабатываться сравнительно давно, однако до недавнего времени ветроэнергетике вообще и ее метеорологическим аспектам в частности не уделялось особого внимания. Всесторонний анализ свидетельствует о том, что несмотря на очевидную целесообразность использования ветроагрегатов, особенно в труднодоступных и отдаленных от энергосистем районах, они в нашей стране (в том числе в Сибири и на Дальнем Востоке) не находят соответствующего применения. Такая ситуация сложилась по ряду причин. Это и недооценка значимости вопрос экологии и экономики энергетических ресурсов, и распространенное мнение о якобы не конкурентоспособности ветроэнергетических установок, и неудовлетворительное обеспечение потребителей эффективной и надежной отечественной ветротехникой, и ряд других. Однако перемены, происходящие в нашей стране начали благоприятно сказываться и на решении данной проблемы. Ведь в конечном итоге потребителей-энергетиков интересует не энергопотенциал ветра вообще, а количество энергии, которое реально можно получить с помощью конкретных ветроагрегатов в том или ином районе.

Цель данной работы является исследование ветрового режима Ногинского района Московской области для оценки ветроэнергетического потенциала. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) анализ ветрового режима; 2) оценка ветроэнергетического потенциала и ресурса в районе.

В ходе выполнения дипломного проекта были использованы данные метеорологических наблюдений за состоянием погоды с 1990 по 1999 год, а также справочник наблюдений.

1. Общие сведения о ветроэнергоресурсах

1.1 Климатическая информация и её роль в энергетике

Климатологические аспекты ветроэнергетики составляют, по существу, целый раздел прикладной метеорологии и климатологии, обхватывающий широкий круг задач. Эти задачи прежде всего относятся к режиму ветра, который должен исследоваться, с одной стороны в качестве источника энергии, а с другой в качестве вредного фактора, определяющего ветровые нагрузки. Необходимые для ветроэнергетики параметры ветрового режима должны включать сравнительно точные статистические характеристики, зависящие не только от общей повторяемости различных скоростей ветра, но и от непрерывной их реализации во времени и пространстве. Наряду с такого рода параметрами ветра для ветроэнергетики существенны также характеристики турбулентных пульсаций (порывов) ветра.

На использование энергии ветра оказывает влияние ряд других метеорологических элементов, к числу которых прежде всего относятся характеристики гололедно-изморозевых отложений, ведь они сказываются не только как дополнительные нагрузки на конструкции, но и оказывают механическое препятствие работы ветродвигателя.

Изучение данных о метеорологическом режиме в нижнем слое атмосферы, одно из условий выбора наиболее рациональных инженерных решений при проектировании, строительстве и эксплуатации энергетических объектов. Уже в зависимости от назначения объекта и степени надежности, используются различные климатические характеристики.

Климатическая информация, согласно [8], используемая в ветроэнергетике подразделяет на три части. К первой части относятся общие климатические характеристики для оценки теоретического ветроэнергетического потенциала. Сюда входят: средняя многолетняя скорость ветра в целом за год и по месяцам, амплитуда суточного хода скорости ветра по сезонам года, распределение (повторяемость) скорости ветра по градациям в разные сезоны или месяцы года, вертикальный профиль средней скорости ветра, плотность воздуха, интенсивность турбулентности ветрового потока, поправочные коэффициенты, учитывающие изменение скорости ветра по территории вследствие неоднородности подстилающей поверхности. Ко второй части относятся специализированные климатические характеристики, с помощью которых можно выбрать оптимальные режимы работы ветроэнергоустановок (ВЭУ), т. е. характеристики для оценки реальных ветроэнергетических ресурсов. Это прежде всего, непрерывная продолжительность соответственно диапазона номинального режима и так называемых, энергетических «затиший», т. е. скорости ветра ниже уровня, начиная с которого происходит реальная выработка электроэнергии. К третьей части климатической информации относятся характеристики для расчета конструкций ВЭУ на прочность и устойчивость (воздействия ветра), и надежность. Сюда входят: расчетное максимальное ветровое давление, т. е. ветровой напор и его изменение по высоте сооружения, интенсивность турбулентности и коэффициент порывистости, ускорение ветра в порыве, расчетные экстремальные значения гололедно-изморозевых отложений на поверхности опор и лопастей ВЭУ.

Одним из главных результатов в области климатического обоснования является установление мезоклиматических закономерностей в распределении реальных ветроэнергетических ресурсов в перспективных для ветроэнергетики районах. О перспективности участка территории для размещения автономной ВЭУ нельзя судить лишь по одной какой-либо «приоритетной» характеристики ветрового режима. В качестве такового часто используют либо средние значения скорости ветра, либо значения удельной мощности ветрового потока, которые приближенно характеризуют уровень ветроэнегопотенциала. Как указывается в работе [8], достаточно полно перспективность участка местности можно оценить по комплексу благоприятствующих признаков таких, как малая, длительность энергетических «затиший», возможно более продолжительный диапазон «энергоактивных» скоростей, отсутствие или незначительная повторяемость ураганных ветров и малое число буревых периодов, малая изменчивость скорости ветра во времени.

Важнейшая задача подбора мест для ВЭУ выявление участков территории с максимально возможной продолжительностью «энергоактивных» скоростей. Можно получить сведения по данным метеостанций, либо с помощью данных о ветровом потоке. Обобщение многочисленных экспедиционных и других кратковременных наблюдений метеовеличин в различных орографических условиях дало возможность сформулировать важнейшие предложения и рекомендации по размещению и выбору оптимальных месторасположений ВЭУ.

Установлено, что в условиях нашей страны ВЭУ целесообразно размещать, во-первых, на прибрежных мелководных участках, акватории морей и крупных водохранилищ, и во-вторых, на пологих наветренных склонах невысоких возвышенностей. При реализации такого рода подхода возможно обеспечить съем энергии, необходимой для работы в энергосистеме, при условии, что участок территории занимает площадь несколько десятков квадратных километров. Следует отметить, что средняя скорость ветра над морем, как правило выше, чем над сушей. Таким образом, побережья и прилегающие районы, по крайней мере с точки зрения метеорологических условий, более пригодны для сооружения ВЭУ, чем районы в глубине материка.

1.2 Энергетические ресурсы ветра

Ветроэнергетика — это отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретически основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической или тепловой энергии и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии.

К главным факторам, определяющим возможность использования энергии ветра относятся: метеорологические условия, выбор оптимального расположения ВЭУ, метод преобразования кинетической энергии ветра в электрическую её использования в общей системе энергоснабжения и кроме того, экономическая эффективность.

Исходя из кинетической энергии, содержащейся в ветровом потоке, можно ввести следующую классификацию, аналогичную принятой для для других источников энергии, т. е. следует различать три вида энергетических ресурсов ветра:

природные ресурсы (теоретические ресурсы);

ресурсы, пригодные для практического использования (технический потенциал) — это та часть его природных ресурсов, которую можно максимально преобразовать в полезную энергию в соответствии с известными законами природы и современными достижениями науки и техники;

экономические ресурсы (экономический потенциал) — это та часть пригодных для практического использования запасов, которая может быть преобразована, в полезную энергию с такими затратами при использовании в каждом отдельном случае любых других источников энергии.

Следует отметить, что выработка энергии одиночной ВЭУ в значительной мере зависит от среднегодовой скорости ветра. Эффективность преобразования энергии, которая в каждом отдельном случае определяется техническими возможностями, играет важную роль в оценке пригодных для практического использования энергетических ресурсов ветра. Помимо этих двух показателей очень важно минимальное удаление ВЭУ одна от другой, чтобы избежать взаимного влияния которое может выражаться в виде ослабления силы ветра и соответствующего снижения выработки энергии.

Природные ресурсы энергии ветра — это содержащаяся в нем кинетическая энергия. Наибольшая доля этой энергии, которую можно преобразовать в полезную энергию и составляет ресурсы, которые используют на практике.

Природные ветроэнергетические ресурсы составляют 1,5−2,5% солнечной энергии, поступающей на землю и непрерывно превращающейся в кинетическую энергию воздушных течений в атмосфере. Можно отметить [13], что сама оценка ветроэнергетических ресурсов достаточно условна. Довольно часто приводимый в литературе показатель характеризует среднее значение энергии ветра, которую можно снять с 1 км? земной поверхности. Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности Земли оценивается в 13· 10¹²кВт ч. Для практического использования реально рассматривается 10−20% энергии.

1.3 Виды ветроустановок

В ветроэнергетике прослеживается два основных направления:

автономная ветроэнергетика, которая предполагает использование ветроустановок или ветроэлектростанций малой мощности от нескольких Ватт до десятка киловатт;

системная ветроэнергетика, которая предполагает крупномасштабное использование энергии ветра, значимое для топливно-энергетического баланса страны, она предполагает создание и использование большого числа крупных ВЭУ мощностью от нескольких десятков киловатт до нескольких десятков мегаватт.

С другой стороны ветроэнергетика состоит из двух основных частей:

ветроиспользования, занимающегося теоретическими и практическими вопросами использования ветроэнергетических ресурсов на основании соответствующих кадастровых данных, установлением оптимальных режимом ВЭУ и обобщением опыта и применения;

ветротехники, разрабатывающей теоретические основы и практические приемы проектирования технических средств.

Хотя история эксплуатации ветряных мельниц насчитывает 4000 лет, мы займемся лишь теми современными ветряными двигателями, которые сконструированы специально для выработки электроэнергии. В подобных ветровых двигателях (ВД), как правило, используется двух или трех лопастной воздушный винт специальной конструкции, установленный на горизонтальной оси, и вращающийся с высокой скоростью.

ВД совсем не похожи на знакомые всем многолопастные ветряные мельницы, используемые во всем мире для перекачки воды. Для удобства изложения ВД можно подразделить по номинальной мощности на три вида:

ВД большой мощности (около 1000 кВт), такие установки должны являться частью национальной системы энергоснабжения и подключаться непосредственно к национальным или другим крупномасштабным электрическим сетям. Обычно подобные установки должны размещаться в отдаленных районах, которые характеризуются постоянными сильными ветрами. В этом случае, хотя они и будут в целом влиять на окружающую среду, сколько-нибудь существенного воздействия на районы застройки не окажут (самая большая машина подобного типа была сооружена в 1941 г. на горе Грендназ Ноб в штате Вермонт США, её номинальная мощность составляла 1250кВт);

ВД средней мощности (около 100 кВт). Большая часть опыта, касающегося машины этого типа, была накоплена после второй мировой войны. Особо следует отметить работы, начатые в 1947 г. в ассоциации электрических исследований Великобритании группой возглавляемой И. У. Гондином. К началу 60-х годов интерес к подобного рода установкам в значительной степени ослаб в связи с механическими поломками многих из испытывавшихся машин и, что самое главное, в связи с их малой экономической отдачей. Теперь же на фоне роста цен на топливо этот интерес вновь возродился. В результате значительно более позднего анализа получены следующие выводы: экономически эффективной может быть только такая ветроэнергетическая установка средней мощности, которая, во-первых, обладает достаточной мощностью для обслуживания нескольких домашних хозяйств, и во-вторых, может быть расположена в районе, характеризующемся сильными ветрами. Таким образом, представляется, что ВД средней мощности могут использоваться для обслуживания групп зданий в отдаленных районах, где высока стоимость обычного топлива. Подобные машины должны располагаться в разумной близости от обслуживаемых зданий, что способствует снижению строительных затрат и потерь при передаче энергии, причем они оказывают локальное влияние на окружающую среду;

ВД малой мощности (около 10 кВт). К 1910 г. несколько сотен установок номинальной мощности от 5 до 25 кВт с успехом обеспечивали электрической энергией сельские местности в Дании. Распространение подобных машин достигло максимума во время первой мировой войны в связи с нехваткой топлива, но потом пошло на убыль, поскольку появилось дешевое топливо для генераторных установок. В годы между войнами появилось несколько типов высококачественных ВД малой мощности. Технические вопросы, связанные с созданием обычных ВД малой мощности в значительной степени решены, но сохраняются серьезные проблемы. Так приемлемыми условиями размещения ВД считаются следующие: он должен стоять по крайней мере на 3 метра выше любого объекта в радиусе 450 метров от точки установки и быть при этом возможно ближе к обслуживаемому зданию, чтобы свести минимуму потери при передаче энергии. Таким образом, в застроенных районах, где живет большая часть населения развитых стран мира, для обеспечения каждого здания ветровой энергией потребовалось бы выстроить по соседству высокую башню. Согласно другому варианту, ВД может быть установлен на крыше нового здания или непосредственно включается в его конструкцию.

В работе [12], все ветроэнергетические установки можно разделить на два класса:

ветромеханические двигатели, находящие широкое применение в устройствах по подъему воды в засушливых районах, на пастбищах, в осушении заболоченных мест;

ветроэлектрические агрегаты, они с успехом используются и для таких специфических целей, как защита трубопроводов от электрокоррозий (от блуждающих токов).

В нашей промышленности, согласно [3], изготавливаются следующие типы ветроагрегатов: установки ветроэлектрические (ветромеханические), водоподъемные и агрегаты ветроэлектрические универсальные.

Рассмотрим процессы поступления, преобразования и потребления ветровой энергии, которые можно представить в виде следующей схемы кибернетического типа (Рис.1):

КФ ЭУ ПЭ Рис. 1 Схема поступления, преобразования и потребления ветровой энергии.

где КФ — климатические факторы, характеризующие режим поступления ветровой энергии;

ЭУ — энергетическая установка, воспринимающая поступающую от ветра энергию и преобразующая её в электрическую энергию, механическую и т. д.;

ПЭ — производительность или выработка энергии во времени.

Эта схема отображает взаимодействие «входных» (метеорологических или климатических) факторов, объекта (ветроустановки) и «выходных» (результирующих) показателей выработки энергии.

1.4 Метеорологические факторы, характеризующие месторасположение ветроустановок

Для использования энергии ветра наиболее пригодны места, обладающие следующими метеорологическими характеристиками [2]:

высокой среднегодовой скоростью ветра как наиболее важным фактором, определяющим годовую выработку на одну ВЭУ;

редко встречающимися условиями с высокой интенсивностью турбулентности воздушных потоков, т. е. в среднем незначительными изменениями направления и скорости ветра как предпосылкой работы ВЭУ без помех;

наличием доминирующего направления основных потоков ветра, что позволяет уменьшить площадь, необходимую для размещения многоагрегатной ВЭУ.

При наличии явно преобладающих направлений основных потоков ветра расстояние между ВЭУ, требуемое для снижения эффекта «затенения», может быть сведено к минимуму, т. е. отдельные агрегаты могут быть поставлены ближе друг к другу в направлении, перпендикулярном основному направлению ветра. Таким образом, кроме метеорологических характеристик существенную роль в окончательном выборе места для использования энергии ветра играют другие факторы, а именно:

наличие транспортной сети и возможность включения в действующую энергосеть;

законодательные положения, такие, как закон об охране природы, правила безопасности полетов, охраны здоровья населения, в частности непосредственно проживающего в данном районе, например, фермеров;

экономические факторы, например, такие как цена на землю;

отрицательные воздействия на окружающую среду, такие, как шум, искажение ландшафта для приема радио и телепередач.

Следует также отметить, что отдельные районы вследствие ограничений, накладываемых законом, вообще не подлежат рассмотрению как возможные местоположения будущих станций.

Поэтому при анализе следует сразу исключить природные заповедники и те зоны, в которых сооружение ВЭУ запрещено в соответствии с действующими предписаниями по строительству или ограничению из-за правил техники безопасности.

Основным из направлений в климатическом обеспечении энергетики являются разработки, направленные на достижение наибольшей оптимизации работ энергосистем, питающихся от ВЭУ. В этой области исследования ведутся в плане выявления закономерностей пространственной и временной изменчивости «энергетических затиший» (так называют диапазон скоростей ветра, не превышающих 5 м/с, т. е. пороговой скорости, выше которой ВЭУ начинает вырабатывать электроэнергию). При этом обращается внимание не только на суммарную длительность, но и на так называемую непрерывную продолжительность энергозатиший. Не менее важное место отводится к выявлению в различных географических зонах интервалов «энергоактивных» скоростей ветра, при которых происходит реальная выработка энергии для конкретных видов ВЭУ. Это обычно интервал скоростей от 5 до 20−25 м/с. Наиболее важным для практических целей, задач является участок диапазона, при котором выработка энергии поддерживается в режиме номинальной мощности. Для ВЭУ малой мощности этот участок начинается со скорости ветра 8−9 м/с, для установок средней и большой мощности со скорости 12−24 м/с.

Наиболее важным для практического использования будут результаты изучения особенностей вертикального распределения повторяемости «энергоактивного» диапазона скорости ветра в приземном слое над перспективными в ветроэнергетическом отношении районами и изучение зависимости указанных распределений от местных условий, в первую очередь рельефа.

2. Физико-географические и климатические особенности ногинского района

2.1 Особенности рельефа местности

Район расположен в центральной части Русской равнины, в бассейне верхней Волги и Оки. Район с незначительными колебаниями относительных высот, сравнительно влажный, умеренно-континентальный климат, разветвленная речная сеть (Рис.2).

Рис. 2. Московская область. (Ногинский район вокруг города Электросталь.)

Рельеф района равнинный, местами полого-увалистый и холмистый. Сравнительно сильно расчлененные возвышенности чередуются с плоскими низменностями. Основные понижения и повышения рельефа определяются особенностями залегания коренных пород. В северной части встречаются холмы и плоские участки с западинами, ещё не включенными в современную речную сеть. К югу количество этих форм постепенно уменьшается, пока они не исчезают совсем.

На севере район частично захватывает Волго-Шошинскую низменность с чрезвычайно сглаженным, плоским рельефом. В пределах низины высоты не превышают 135−140 метров. Широкими террасами, незначительно возвышающимися друг на другом, поверхность низменности спускается к реке Волге. энергетика ветроустановка климатический метеорологический

С юга Волго-Шошинской низменности непосредственно прилегает полоса более высокого рельефа, которая тянется с ЗЮЗ на ВСВ и является частью Смоленско-Московской возвышенности. К северу от Москвы она носит название Клинско-Дмитриевской гряды.

Смоленско-Московская возвышенность прорезана глубокими долинами рек разделяющими её на большие или малые обособленные междуречные массивы. Обычно высота междуречий колеблется от 200 до 230 метров, местами она почти 300 метров. Непосредственно к югу от аэродрома находится Теплостанская возвышенность с сильно рассеченным эрозионно-увалистым рельефом. Её северный склон почти сливается с высотами Ленинских гор, отделяясь от них ложбиной широтного направления.

Вся юго-западная часть Московской области занята обширным ОкскоМоскворецким междуречьем, представляющим собой равнину. Склон междуречья, обращенный к долине реки Москвы, имеет высоты от 180 до 200 метров. Окский склон более высок (высоты местами превышают 220 метров) и сильнее расчленен. По правобережью рек Пратвы и Оки в пределы Московской области заходят северные окраины Средне-Русской возвышенности с сильно расчлененным эрозионно-увалистым рельефом.

Весь юго-восток занят низким и плоским пространством, постепенно переходящим в обширную Мещерскую низменность. Высоты в пределах низменности постепенно убывают с Запада на Восток от 120 м до 114 м в центре низменности у озера Великого, лишь в отдельных местах на междуречье встречаются высоты до 150−170м.

Вся речная система района принадлежит бассейну реки Волги. Крайняя северная часть орошается её небольшими правыми притоками: Ламой, Сестрой, Яхромой, Велей, Дубной и др. Все остальные реки относятся к системе реки Оки, основным притоком которой является река Клязьма, имеющая резко асимметричный бассейн. Слева в нее впадают относительно большие притоки — Уга, Воря, Шерна, Б. Киржач, Пекша, Колокша и др., а справа сколько-нибудь значительных притоков нет.

Центр Московской области пересекается рекой Москвой, текущей сначала в широтном направлении, а затем поворачивающей на юго-восток. Слева в нее впадает река Иночь, Искона, Руза, Истра, Сходня, Яуза, Пехорка, Гжелка, Нерская, справа — Колоча, Пахра, Северка, Коломенка.

Юг Московской области орошается рекой Окой с левыми притоками: р. Протвой, Нарой, Лопасней, Каширкой, Москвой, Цкой и Прой. В связи с постройкой канала, соединяющего р. Москву с р. Волгой создано несколько искусственных водохранилищ: Учинское, Клязьменское, Истринское, Химкинское, Икшинское, Яхромское и др. Озера Московской области сосредоточены преимущественно в северной половине области (оз. Сенежское и др.) и в пределах Мещерской низменности (оз. Святое, Плещеево и др.)

Район относится к подзоне смешанных лесов.

Типичны еловые и сосновые леса с примесью широколиственных пород: дуба, клена, вяза, и др. Крупные массивы леса находятся в пределах Волго-Шошинской низменности, Мещеры. На большей части района господствуют мелколиственные леса с елью, в которых основными породами являются береза, осина, и ель. Среди них местами встречаются еловые леса.

На юге области распространены мелколиственные леса из осины и березы, сменяющиеся лесами, в которых к осине и березе примешивается дуб. На песчаных почвах кое-где можно встретить сосновые леса. В пределах Мещерской низменности господствуют мелколиственные леса с елью и сосной.

Таким образом, по ландшафтным условиям территория относится к двум зонам: лесной, занимающей большую её часть, и лесостепной — к югу от р. Оки, которая служит границей между ними. В лесной зоне 35−45% всей площади занято лесом, в лесостепной зоне больших лесных массивов нет, площади леса здесь невелики (15−20%), а на юге встречаются лишь отдельные рощи и залесённость составляет только 5% площади. Физико-географические условия этих зон обусловливают различия в температурном режиме, в формировании которого, кроме того, большую роль играют радиационный баланс и циркуляция атмосферы.

Почвы территории довольно разнообразны. Наиболее распространенными являются суглинистые и супесчаные и только в лесостепной зоне встречаются большие площади черноземных почв.

Непосредственно аэродром находится к северо-востоку от Москвы. С востока и юга его окружает лесной массив, с многочисленными небольшими болотами. Юго-западнее располагается система озер. Северо-западнее находится город с промышленными предприятиями.

2.2 Циркуляция атмосферы

Климат центра ЕТС формируется под влиянием континентального восточного и океанического западного климатов. Вследствие этого климат непостоянен. Здесь проявляются элементы и континентального, и океанического климата, но преобладает все же континентальный.

Континентальный воздух является результатом трансформации воздушных масс, приходящих из районов Атлантического океана и из арктического бассейна в условиях господства Азорского (летом) и отрогов Азиатского (зимой) антициклонов. Зимой наряду с устойчивыми морозами почти ежегодно наблюдаются оттепели, летом ясная и довольно жаркая погода перемежается с дождливой и относительно прохладной.

В течение большей части года в средней тропосфере отмечается значительная повторяемость юго-западных и западных ветров, с которыми переносится морской воздух Атлантики. Это отражает влияние общей циркуляции атмосферы, важного для умеренных широт климатообразующего фактора, особенно в холодный период года, когда температурные контрасты между сушей и водной поверхностью наибольшие.

По классификации климатов центр ЕТС относится к поясу континентального климата умеренных широт, в котором преобладают воздушные массы широт, трансформированные из морских воздушных масс умеренного и арктического поясов. В связи с большой изменчивостью атмосферной циркуляции наблюдается непостоянство погоды, иногда довольно резкая смена её.

Обращает на себя внимание резкая смена по сезонам траекторий циклонов, а следовательно, и характера циркуляции: зимой отмечается максимум циклонов северо-заподного происхождения, летом — увеличение циклонов южных траекторий, которые в зимнее время реже достигают района аэродрома.

Таким образом, климат центра ЕТС складывается под воздействием различных циркуляционных процессов, обуславливающих адвекцию и трансформацию воздушных масс, что проявляется в режиме колебаний и различных сочетаниях величин метеорологических элементов.

По климатическим условиям год можно разделить на два примерно равных по продолжительности периода: теплый и холодный.

Теплый период продолжается 7 месяцев (апрель-октябрь), а холодный — 5 месяцев (ноябрь-март).

Циркуляционный режим холодного периода.

Характеризуется интенсивной циклонической деятельностью над Антлантическим океаном, Средиземным и Черным морями, основное значение начинают приобретать процессы адвекции и фронтогенеза. Наряду с этим наблюдается развитие процессов, определяющихся полярными и ультрополярными вторжениями, а также трансформацией воздушных масс.

Холодные северо-западные (полярные) вторжения сопровождаются понижением высоты облаков до 100−200 м, зарядами снега при видимости менее 1000 м и усилением северных ветров до 15 м/с. В некоторых случаях с северо-западными вторжениями связано смещение ядер антициклонов. При этом наблюдается облачность высотой 200−300 м и сильное обледенение в облаках.

Холодные северо-восточные (ультраполярные) вторжения также в начале приводят к резким ухудшения погоды (заряды снега), а по мере развития процесса к простым метеорологическим условиям при температурах -30−35°С.

При усилении Азиатского антициклона облачность постепенно смещается на запад, северо-запад и при достижении давления на станции 1030−1035 гПа устанавливается малооблачная погода с хорошей видимостью. В заключительной стадии процесса возникают дымки, видимость ухудшается, появляется низкая подинверсионная облачность.

Погода отличается большим непостоянством. Зимой морозы перемежаются с кратковременными оттепелями, снежный покров устойчив и лишь в отдельные годы отсутствует в первой половине периода. Много дней с низкой облачностью и туманами, особенно в первой половине периода. Средняя температура холодного периода -4,3°С, с минимумом среднемесячной температуры в феврале -6,4°С.

Циркуляционный режим теплого периода.

Фронтальная зона смещается в более северные широты, циклоническая деятельность постепенно ослабевает, все чаще отмечается антициклональный режим погоды. Но в начале теплого периода в некоторых случаях наблюдается, наоборот усиление циклонической деятельности, увеличивается число выходов средиземноморских циклонов, а также циклонов с западной части Черного моря на север и северо-запад. В обоих случаях наблюдаются очень сложные метеорологические условия: мощная облачность, осадки, сильные ветры и гроза.

В теплый период преобладающими являются процессы трансформации. Увеличивается повторяемость конвективной облачности. Фронтальные разделы в середине периода, в основном, выражены слабо.

Существенное влияние в летние месяцы оказывают холодные фронты с вторжениями холодных масс воздуха с северо-запада или запада. С холодными фронтами связано ухудшение погоды на 2−3 дня (иногда и более) и значительное повсеместное выпадение осадков. Нижняя граница слоисто-кучевой и кучево-дождевой облачности располагается на высоте 300−500 м, иногда ниже. Верхняя граница отдельных грозовых облаков может достигать высот 9−12 км. Наблюдаются сильные осадки, порывистый ветер, в облаках выше 2−3 км обледенение.

Вторжение холодных масс континентального воздуха с севера или востока также приводят к ухудшениям погоды, особенно в начальный период процесса. Лучшим временем с точки зрения летно-метеорологических условий является вторая половина теплого периода (август-сентябрь), когда уменьшается повторяемость гроз и сохраняется значительное количество дней и ночей с простыми метеорологическими условиями. Средняя температура теплого периода 12,7°С, с максимумом среднемесячной температуры в июле 18,1°С.

Характеристика климатических условий по сезонам года Зимний сезон.

Атмосферная циркуляция в зимний период определяется влиянием Азорского и Сибирского антициклонов и областями пониженного давления над Северным, Средиземным и Черным морями. Фронтальная зона, характеризующаяся наибольшей повторяемостью проходящих циклонов, располагается между 30° и 40° с.ш. Преобладающей воздушной массой является континентальный умеренный воздух, но наряду с этим наблюдаются массы арктического воздуха.

В зимний сезон вследствие преобладания западно-восточного переноса в средней тропосфере наиболее часто наблюдается западный тип атмосферных процессов, который характеризуется сложными метеорологическими условиями.

За сезон выпадает в среднем 133 мм осадков, причем отмечается до 65 дней с осадками, что говорит об их слабой интенсивности. Особенно интенсивные и продолжительные осадки связаны с выходом циклонов с юго-запада и юга.

Снежный покров в среднем достигает высоты 35 см в конце сезона. В отдельные годы снежный покров достигает высоты 69 см.

Туманов за сезон отмечается в среднем 9, с максимумом в начале сезона (до 4 в месяц).

Грозы за сезон не отмечаются.

Средняя температура зимнего сезона составляет -6,2°С, абсолютный минимум за последние 10 лет составляет -32,4°С, максимум +6,1°С.

Весенний сезон.

С наступлением весны фронтальная зона смещается из южных широт в более северные. Циклоническая деятельность не только не ослабевает, а наоборот усиливается Особенностью весеннего периода является увеличение вероятности выхода циклонов с юго-запада. Это связано с более частым нарушением зональности атмосферных процессов. При этом наблюдается очень сложные метеорологические условия: мощная облачность, обильные осадки.

Весной погода часто имеет грозовой характер, особенно в конце сезона. Нередко наблюдаются вторжения холодных воздушных масс с северо-запада и северо-востока, приводящие к ухудшению метеорологических условий и похолоданиям.

В весенние месяцы часто смещаются антициклоны с Атлантики и из Центральной Европы, приносящие с собой улучшения условий погоды, но в ночные и утренние часы наблюдаются густые дымки, туман и низкая подинверсионная облачность.

За сезон выпадает в среднем 95,9 мм осадков и отмечается до 39 дней с осадками, что указывает на то, что в этот сезон ливневые осадки еще не являются преобладающими.

Снежный покров еще сохраняется в начале сезона и составляет в среднем 53 см, в отдельные годы 74 см, исчезает в период с 15 марта по 15 апреля.

Туманов за сезон отмечается в среднем 7, с максимумом в марте (3−4) и минимумов в мае (1−2).

Гроз отмечается в среднем до 4 случаев за сезон, причем из них в мае до 3.

Средняя температура весеннего сезона составляет 5,3°С, но в любой из месяцев отмечаются понижения температуры до отрицательных значений. Максимум средней температуры в мае, и составляет 13,7°С.

Летний сезон.

В летний сезон фронтальная зона располагается севернее нашего района. Атмосферная циркуляция определяется влиянием Азорского антициклона.

Летний сезон характеризуется преобладанием западной и значительным усилением юго-западной циркуляции атмосферы.

Преобладающими воздушными массами являются: морской умеренный воздух (МУВ), континентальный умеренный воздух, резко континентальный тропический воздух, причем МУВ при своем движении к востоку, прогревается, теряет влагу и бывает сильно трансформирован. В летний сезон процессы трансформации являются преобладающими и определяют характер погоды по всей территории. Циклоническая деятельность хотя и не является преобладающей, но еще весьма существенна, фронтальные разделы в большинстве случаев выражены слабо, однако холодные фронты, вторгающиеся с северо-запада или северо-востока, приносят существенное изменение погодных условий.

Вторжения масс континентального воздуха с северо-востока и востока ухудшают погоду преимущественно в начале процесса и в дальнейшем приводят к длительному периоду с простыми метеорологическими условиями.

Летом над Западной Европой возникают антициклоны, которые затем перемещаются в северо-восточном направлениях. При развитии этого процесса в нашем районе наблюдается, в основном, малооблачная погода с видимостью 4−10 км. Лишь местами в дневные часы может наблюдаться интенсивная конвекция с развитием мощной кучевой и кучево-дождевой облачности с грозами.

В отдельные периоды возможны интенсивные засухи.

За сезон выпадает в среднем 236,9 мм осадков и наблюдается до 41 дней с осадками. Выпадение максимального количества осадков за сезон при среднем одинаковом количестве дней с осадками указывает на то, что преобладающими являются ливневые осадки.

Туманов за сезон отмечается в среднем 9−10, и распределяются они в целом по сезону равномерно с небольшим увеличением их количества от июня к августу (от 3 до 4)

Летний сезон отмечается наибольшее количество гроз, в среднем их отмечается 15. Наиболее грозовой месяц июль (6−7 гроз) Средняя температура летнего сезона составляет 19,7°С.

Заморозков в летние месяцы не наблюдается, хотя отмечаются дни с минимальной температурой, близкой к 0 °C. Абсолютный максимум температуры отмечался в июне 33,4°С.

Осенний сезон.

В начале осени территория находится под воздействием Азорского антициклона, в дальнейшем начинается развитие циклонической деятельности. В целом осенний сезон характеризуется преобладанием северо-западного переноса ВМ. Циклонические области, перемещающиеся с северо-запада, обуславливают погоду нашего района до10−11 дней в месяц. Заметное увеличение повторяемости циклонических вторжений с северо-запада объясняется некоторым нарушением западно-восточного переноса.

Осень является периодом минимальной повторяемости южных циклонов.

В осенние месяцы при антициклональном характере погоды наблюдаются густые дымки и туманы, особенно в сентября месяце, когда данный характер погоды преобладает.

За сезон выпадает в среднем 157 мм осадков и наблюдается до 48 дней с осадками. Уменьшение количества осадков по сравнению с летним периодом, при примерно одинаковом количестве дней с осадками указывает на преобладание обложных осадков.

Туманов за сезон отмечается в среднем 13, с максимумом в сентября (5−6), и уменьшением в октябре, ноябре до 4.

Грозы отмечаются только в сентябре — до 1-й.

В ноябре устанавливается устойчивый снежный покров с средней величиной 3,3 см, в отдельные годы отмечалась высота снежного покрова до 28 см.

Средняя температура осеннего сезона составляет 3,6°С.

Максимум температуры отмечается в сентября и составляет 22,2°С, минимум в ноябре -20,9°С.

2.3 Температурный режим

Сравнивая среднегодовые значения температуры воздуха в различные годы, приходим к выводу, что они незначительно отличаются друг от друга. Так, разница между самой высокой среднегодовой температурой и самой низкой составляет всего 2,5°С.

Самый холодный месяц — декабрь, среднемесячная температура -6,5°С. Самый жаркий месяц — июль, температура ежегодно выше 17 °C, а в среднем составляет 18,1°С (Табл.1)

Таблица 1

Среднемесячная и среднегодовая температура воздуха

Континентальность климата выражается в том, что велика амплитуда суточной температуры, а также максимальных и минимальных температур (30−35°С), (Табл.2)

Таблица 2

Абсолютный минимум и максимум температуры воздуха

Самая низкая температура зафиксирована в феврале и составляет -32,4°С, самая высокая — в июне +33,4°С.

В таблице 3 представлено число дней со среднесуточной температурой -10°С и ниже, таких дней сравнительно немного — 40, а число дней с температурой +10°С и выше достигает 146.

Таблица 3

Начало, конец и среднее число дней со среднесуточной температурой воздуха от -10°С и ниже, от -5°С и ниже, от -0,5°С до +0,5°С, от 5 °C и выше и от 10 °C и выше

Число дней с морозом, когда хотя бы в один из сроков наблюдения температура воздуха была ниже 0 °C, составляет 152.

3. Оценка ветровых ресурсов района Для проведения работ по оценке ветроэнергоресурсов (ВЭР) согласно РД 8 необходимо располагать следующими климатическими характеристиками:

средняя скорость ветра (за год и по месяцам);

амплитуда суточного хода скорости ветра по сезонам года;

распределение (повторяемость) скорости ветра по градациям;

вертикальный профиль средней скорости ветра;

3.1 Анализ ветрового режима

Западный перенос, преобладающий в холодный период года и обусловленный общей циркуляцией атмосферы, проявляется в определенном режиме ветра. Над нашим районом в это время располагается северо-западная периферия области повышенного давления, которая находится над большей частью ЕТС. В этот период увеличивается циклоническая деятельность. В соответствии с таким распределением давления на аэродроме преобладают юго-восточные, южные и юго-западные ветры. При юго-западных, южных ветрах часто наблюдаются оттепели.

Гораздо реже в холодный период года бывают ветры северного и северо-восточного направления. Они обычно связаны с антициклонами, расположенными в северной половине ЕТС.

Для нашей оценки был выбран Ногинский район. Были проанализированы данные полученные за промежуток времени с 1990 по 1999 года. Наблюдения за ветром проводились по прибору М-63-М. Среднее значение скоростей определялись в установленный интервал времени — 8раз в сутки: в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 часов.

Наибольшая среднемесячная скорость ветра наблюдается в декабре-январе, наименьшая в июне-августе (Табл. 4). Скорость ветра имеет резко выраженный суточный ход, особенно в летнее время. Наибольшие скорости ветра наблюдаются в послеполуденные часы, а наименьшие в конце ночи и утром.

Таблица 4

Среднемесячная и среднегодовая скорость ветра (м/с)

Характеристику скорости ветра необходимо давать по условиям местоположения района, что подтверждается сопоставлением класса открытости со средней годовой скоростью.

С целью учета местоположения района и степени защищенности флюгера использована классификация В. Ю. Милевского (Табл.5). Чем больше цифра класса открытости, тем больше регистрируемая скорость ветра.

Таблица 5

Классификация местоположения флюгера станций по степени его открытости и форме рельефа

Примечание: элементами защищенности могут считаться холмы, строения, деревья, если расстояние от них до ветроизмерительного прибора меньше 20-кратной их высоты.

Согласно этой классификации была определена открытость флюгера. Класс открытости флюгера 6б.

Сильные ветры в районе наблюдаются редко (Табл.6). Отмечаются они в летнее время при прохождении кучево-дождевой облачности, атмосферных фронтов и циклонов. Эти ветры чаще всего сопровождают ливневые осадки и грозы.

В осенне-зимний период усиления ветра связаны с прохождением циклонов с северо-запада, поэтому наибольшее количество дней с ветром более 15м/с отмечается в январе, октябре и декабре более 2 дней в месяц. Наименьшее количество таких дней в августе.

Таблица 6

Среднемесячное и среднегодовое число дней с ветром 15 м/с

В среднем ежегодно отмечаются дни с максимальной скоростью ветра до 18−20 м/с, однако один раз в 5−10 лет отмечаются порывы ветра до 26 м/с (22.07.1991г.).

Летом район находится большей частью в области пониженного давления, которая располагается над северной частью ЕТС. К северу от нее, над арктическими морями располагается область повышенного давления. К югу от района аэродрома проходит отрог Азорского максимума. В результате этого в июне и августе увеличивается повторяемость северо-западных ветров (Табл.7)

Таблица 7

Среднемесячная и среднегодовая повторяемость направления ветра (дней)

Для более наглядного рассмотрения преобладания направления ветра в различные сезоны были проанализированы розы ветров за отдельные месяцы.

Преобладающими направлениями ветра в январе являются северо-западные, западные и юго-западные, а также юго-восточные. Среднемесячная скорость ветра 4,7 м/с. Число дней со скоростью ветра более 15 м/с — 2,6.

Преобладающее направление ветра в апреле — юго-восточное, наименьшая повторяемость ветров северного направления. Среднемесячная скорость ветра — 3,7 м/с. Число дней со скоростью более 15 м/с 1,6.

Преобладающими направлениями ветра в июле — северо-западные, наименьшая повторяемость ветров восточного направления. Среднемесячная скорость ветра наименьшая в течение года — 3,1 м/с. Число дней со скоростью ветра более 15 м/с — 0,8.

Преобладающими направлениями ветра в октябре являются северо-западные и юго-западные. Среднемесячная скорость ветра 4 м/с. Число дней со скоростью ветра более 15 м/с — 2,2.

3.2 Методика расчета кадастровых характеристик ветра

Для ветроэнергетики важен анализ всего спектра изменчивости ветра (межгодовой, сезонной и др.). Чтобы определить производительность ветроэнергетической установки (ВЭУ) и режимы ее работы и простоев в том или ином районе, необходимо располагать соответствующей информацией о ветре. Она приводится в ветроэнергетическом кадастре.

Ветроэнергетическим кадастром называют совокупность объективно достоверных и необходимых количественных сведений, характеризующих ветер как источник энергии, режимы скоростей ветра, позволяющих оценить его энергетическую ценность в той или иной местности. Он представляет собой районированную систему численных характеристик режима ветра, т. е. свод данных, по которым можно судить о длительности работы ветроагрегата с той или иной мощностью, его производительности, простоях, суммарной выработке энергии и др. Важнейшим кадастровыми характеристиками является повторяемость скоростей, чередование рабочих и штилевых периодов, режимы максимальных (буревых) скоростей 15. В кадастре сведения о ветре представляют обычно в виде статистических закономерностей, в табличной или графической форме.