Жел ағынының энергетикалық сипаттамаларын статистикалық зерттеулері

Ш. УӘЛИХАНОВ АТЫНДАҒЫ КӨКШЕТАУ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

УДК 519. 2(5к) Қолжазба түрінде

Атаев Берік Құрманұлы

Жел ағынының энергетикалық сипаттамаларын статистикалық зерттеулері

6N0601 - Математика

Математика мамандығы бойынша жаратылыс ғылым магистірі академиялық дәрежесін алу үшін дайындалған диссертация

Ғылыми жетекші

т. ғ. д. Байшагиров Х. Ж.

Көкшетау, 2010

Мазмұны

Белгілеу мен қысқартулар . . . 3

1. Кіріспе . . . 4

1. 1. Жел энергетикасының даму тенденциялары . . . 5

1. 2. Жел және оның спипатттамалары туралы жалпы мағлұмат . . . 8

2. Жел ағынының энергетикалық сипаттамаларын

статистикалық зерттеу . . . 10

2. 1. Мәліметтерді жинау әдістемесі . . . 10

2. 2. Жел жылдамдықтарының орташа мәні . . . 14

2. 3. Статистикалық мәліметтерді математикалық өңдеу . . . 35

2. 4. Берілген жел жылдамдығының пайда болу ықтымалдығының

үлестірім заңын таңдау . . . 43

3. Қорытынды . . . 56

Белгілеулер мен қысқартулар

ЖЭС - жел энергетикалық станция(лар)

ЖЭ - жел энергетикасы

ЖЭҚ - жел энергетикалық қондырғылар

ТМД - тәуелсіз мемлекеттер достастығы

1. Кіріспе

Тақырыптың өзектілігі: Әлемде электр энергиясына деген сұраныстың артуына байланысты, қазірдің өзінде, қайта толығатын энергия көздеріне, соның ішінде жел энергетикасын дамытуға назар аударылып отыр. Жел құрылғыларын қандай да бір жерге орнату қаржы құюды талап ететіндіктен, сол бір жердегі жел ағынын зерттеу қажет.

Ғылыми жаңалығы: Тәжірибие нәтижесінде алынған мәліметтерді талдау арқылы Көкшетау қаласының төңірегінде жел құрылғыларын қолдану тиімділігінің мүмкіндігін анықтау.

Мақсаты: тәуліктік, орташа айлық және жылдық жел жылдамдықтарының өзгеру заңдылықтырдын, жел ағынының энергетикалық сипаттамаларының өзгеру заңдылықтарын зерттеу.

Зерттеу объектісі: Көкшетау қаласының маңындағы жел ағыны, оның сипаттамалары, қасиеттері.

Зерттеу әдістері: Қойылған мақсаттарды шешу барысында математикалық статистика, ықтималдықтар теориясы қолданылды.

Мәліметтерді өңдеу: Мәліметтерді тіркеу құрылғысы Wizard III, тіркелген мәліметтерді Statgraphics plus 5. 0 және MS Excel қолданбалы программалары арқылы дербес компьютерде өңделді.

Жұмыс тақырыбы бойынша басылымдар:

1. Атаев Б. К., Байшагиров Х. Ж. Мәліметтерді жинау әдістемесі. Ш. Уалиханов атындағы Көкшетау мемлекеттік университеті «Шоқан тағылымдары-8» халық аралық ғылыми-практикалық конференция. 2008ж.

2. Аубакиров Т. У., Атаев Б. К. Аппроксимация эмпирических распределений скоростей ветра теоретическими функциями распределения. / МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАТЕМАТИКИ, МЕХАНИКИ И ИНФОРМАТИКИ». Карагандинский государственный университет им. академика Е. А. Букетова. 2010 г.

Диссертация құрылымы мен көлемі: Диссертация кіріспе, негізгі бөлім және қорытындыдан құралған.

Кіріспе 2 бөлімнен тұрады:

1) Жел энергетикасының даму тенденциялары;

2) Жел және оның спипатттамалары туралы жалпы мағлұмат;

Негізгі бөлім 4 тараудан тұрады:

1) Мәліметтерді жинау әдістемесі;

2) Жел жылдамдықтарының орташа мәні;

3) Статистикалық мәліметтерді математикалық өңдеу;

4) Берілген жел жылдамдығының пайда болу ықтымалдығының үлестірім заңын таңдау.

Жұмыс 60 беттен құралған. Диссертация жазу уақытында 30 әдебиет қолданылды.

1. 1 Жел энергетикасының даму тенденциялары

Совет одағының 60-70 жылдары энергетикалық даму жоспары гидроэнергетика, жылу және атом энергетикасына негізделген болатын. Тәуелсіздік алған соң да, Қазақстан сол жоспарда қалып, жел энергетикасы қажеттілігі, осы саладағы зертеулер интенсивтігі төмендеді. Бірақ сол уақытта, өткен ғасырдын 80-ші жылдарынан бастап, әлемдегі жел энергетикасы шет елдерде мемлекттерінің нақты қолдауының арқасында аса қарқынмен дамығандығын, [1, 2, 3] мәліметтеріне негізделе құралған, 1-ші кестеден байқауға болады.

Әлемдегі ЖЭС жалпы өндірген қуатының өсу динамикасы 1-кесте

2006 жылдың соңына ЖЭС ең үлкен жалпы өндірген қуаты бойынша көшбасшы елдер Германия (20 622 МВт), Испания (11 615 МВт), АҚШ (11 603 МВт), Үндістан (6 270 МВт), Дания (3 136 МВт) болды. Италия, Ұлыбритания, Нидерланды, Китай, Жапония, Португалия елдері жалпы өндірген қуаты бойыша жел энергетикасының дамуының көрсеткіші болып табылатын 1 000 МВт деген көрсеткіштен асты.

Еуропалық Одақ бағдарламалық құжаттарының мәліметтеріне сәйкес, әлемдік жел энергетикасының 2040 ж. дейінгі негізгі даму бағдарлары 2-ші кестеде келтірілген [4] . Соған сәйкес 2020 жылға дейін Еуропалық Одақтың және әлемдік қауымдастықтың жоспарлары мен болжамдарына сәйкес жел энергетикасының мөлшері жалпы өндірілетін әлемдік энергияның 12 % құрау қажет.

Жел энергетикасының 2040 ж. дейінгі негізгі даму бағдарлары 2-кесте

ЖЭС өндіру қуаты бойынша, жекелей елдер үшін, 2020 жылға дейінгі даму жоспары 3-кестеде келтірілген [5, 20] .

3-кесте

2006 жылда Европа елдері қолданылған электр энергиясының 3, 5% ЖЭС арқасында толықтырды. 2010 жылға дейін Евро Одақ елдері Киото келісімі бойынша ауаға лақтырылатын зиянды қалдықтардың мөлшерін азайтатын міндеттерінің үштен бірін ЖЭ арқылы жүзеге асырмақшы.

Әлемдегі құрлықтық жел энергиясының қоры 53 000 ТВтּсағ мөлшерінде бағаланып отыр, ол қазіргі әлемде қолданып отырған энергиядан үш есе көп [5] . Стэнфорд университеті (Калифорния) жасаған жалпы климатологиялық және энергетикалық жобасының аумағында жүргізілген, әлемдік жел энергетикалық потенциалын зерттеулеріне сәйкес оны тек 20% қолданса қазіргі әлемнің сұранысына қажетті энергиядан жеті есе көп болады.

Шет елдердің бағалаулары бойынша құрлықтық жел қорының 21% ТМД елдерінің үлесінде.

ЖЭС кең ауқымды енгізу үшін және жалпы энергия желісіне қосарлауда, жеке аймақтарда және тұтас елде жел энергиясының қорын анықтауға байланысты, ең маңызды ғылыми-техникалық проблемаларға келесілер жатады:

- статистикалық жалпылау және ЖЭС энергетикалық көрсеткіштері және жел энергетикасы потенциалының уақыттық (жылдық, мезгілдік және сағаттық) және аймақтық орналасуының (географиялық және биіктік) ерекшеліктері мен тәуелділіктері туралы көпжылдық мәліметтерді қолдану. Мемлекеттік және жергілікті жел атластары мен кадастрларын құрау.

- қосымша көп деңгейлі эксперементалды өлшеулер және мемлекеттің әртүрлі аймақтарындағы жел сипаттамаларындағы мониторингі.

- ЖЭС өндіретін энергияны және қуатты қысқа мерзімді болжау әдістерін жетілдіру және құрастыру.

Жоғарыда көрсетілген проблемаларды шешудің практикалық маңызы - ЖЭС мен ЖЭҚ жергілікті пунктер мен үлкен територияларда орналасуын тиімді (және барынша орталықтандырылған) жобалауын қамтамасыз ететін және қолдану тиімділігін арттыратын анықтауыштардың бірі, сондай-ақ үлкен ЖЭС құрамындағы және жел парктеріндегі ЖЭҚ тиімді конфигурацияларын анықтау болып табылады. Қысқа мерзімді болжаулардың өзі, мамандардың пікірі бойынша, жел энергетикалық құрылғыларды енгізуге байланысты шығындарды екі есе азайтады.

Қазақстан үшін ЖЭС мен ЖЭҚ енгізу тиімділігі жел энергетикалық қорлардың молдығына негізделген. Бұрынғы Совет Одағының жел потенциялының қоры 18281 ТВт ּ сағ жуық [21], Қазақстанның жел потенциялы 13 000 ТВтּсағ [6], ал Ресей Федерацияының жел қоры 2609 ТВт ּ сағ деп бағаланып отыр [22, 23, 24] . Бірақ, айта кету керек, жергілікті аймақтардың жел энергетикалық қорлары туралы мәлімет әлі де жеткіліксіз болғандықтан, нақты бір аймақ үшін ЖЭҚ қолдану туралы айту қиын.

Нақты бір жерде немесе аймақта жел энергетикалық потенциялды анықтайтын келесі сипаттамалар болады:

- желдің көп жылдардағы айлық, мезгілдік, жылдық жылдамдықтарының орташа мәндері мен бағыты және олардың өзгеруі;

- жел жылдамдығының орташа айлық және мезгілдерде орташа тәуліктік жүрісі;

- орташа айлық жел жылдамдығының градациялар бойынша эмпирикалық қайталануы;

- жер бетінен 100 м биіктікке дейінгі орташа айлық және мезгілдік жылдамдықтарының вертикаль профильдері;

- жел жылдамдығының жойқындылық ұзақтығы бойынша үлестіруі мен ықтималдығы;

- тымық уақыттардың ұзақтығы бойынша үлестіруі мен ұзақтығы;

- жел импульсінің қалыпты орташа айлық, мезгілдік және жылдық мәндері ;

- Жел энергиясы мен қалыпты қуатының орташа айлық, мезгілдік және жылдық мәндері, сондай-ақ тәуліктік жүрісі;

- түрлері, қуаттары және шығарушылары әртүрлі ЖЭҚ озық үлгілерінің жылына, айына, тәулігіне өндіретін энергияның орташа мәндері;

Жоғарыда көрсетілген сипаттамалар желдің энергия көзі ретінде құндылығын, сондай-ақ белгілі бір жерде немесе аймақта ЖЭҚ сол немесе басқа түрін қолдану тиімдігін анықтауға мүмкіндік береді.

1. 2 Жел және оның сипаттамалары туралы жалпы мағлұмат

Жел деп ауа массаларының жерге қатысты қозғалысы аталады. Ол қозғалыс ауа қабатының әр түрлі аймақтарындағы тығыздықтардың айырмашылығының әсерінен пайда болады.

Жел екі параметрмен сипатталады: жылдамдық және бағыты. Желдің бағыты және жылдамдығы, аз немесе көп дәрежеде, ауа ағынының турбулентігінің салдарынан және кеңістік пен уақытқа байланысты атмосфераның әртүрлі бөліктерінде температура мен тығыздықтың біркелкі болмауына байланыты сыртқы факторлардың әсерінен өзгеріп тұрады. Желдің бағыты және жылдамдығы деп белгілі бір уақыттағы олардың орта мәнін қабылдайды (әдетте стандарт 2-10мин) .

Белгілі бір жерде желдің жылдамдығы үлкен интервалдарда өзгеріп тұруы мүмкін. Оны сапалық, сандық және терминологиялық жағынан бағалау үшін 3-ші кестені қолдануға болады.

4-кесте

Шторм, дауыл жел адам үшін қауіпті болып табылады. Айта кетеу қажет, қазіргі жел энергетикалық қондырғылар 25-30 м/с дейінгі жылдамдықта жұмыс істей алады.

Жер бетінің кейбір бөліктерінде белгілі бір уақытқа созылатын желсіз күндер болуы мүмкін, ондай уақыт тымық деп аталады. Тымық уақыттардың созылуы мен жиілігі аймақтар бойынша өзгеріп тұрады және тәжірибиелік маңызы бар желдің маңызды қасиеті болып табылады.

Жел энегетикасының тиімділігін анықтайтын, әр аймақ үшін әртүрлі болатын, жел параметрлерінің жиынтығы жиырмаға жуық. Оларды шартты түрде бірнеше типке бөлуге болады.

Бірінші типке аймақтың жел энергетикалық потенциялын (желдің орташа жылдық, айлық, тәуліктік жылдамдығы мен бағыты) анықтауға мүмкіндік беретін климаттық сипаттамалар жатады.

Екіншіге, ЖЭҚ жұмыс істеу сипаттамаларын анықтайтын (белгілі бір аралықта желдің бағыты мен жылдамдығының үзіліссіз ұзақтығы және олардың градациялар бойынша қайталанып тұруы; тымық уақыттар мен жел жылдамдығының берілген мәндерінен жоғары болатын уақыттардың ұзақтығы туралы мәліметтер) параметрлер жатады.

Үшінші типке, ЖЭҚ қалыпты жұмыс істеуін және беріктілігін жобалап, есептегенде қолданатын сипатамалар жатады.

2. Жел ағынының энергетикалық сипаттамаларын статистикалық зерттеу

2. 1. Мәліметтерді жинау әдістемесі

Жел энергетикалық қондырғыларын кең көлемде қолданудың мүмкіндіктерін анықтауды өздігінен толығатын энергия көздерін жүйелі зерттеуден бастаған жөн. Жел энергетикасында желді жүйелі зерттеу схемасын 1-ші суреттен байқауға болады. Жел ағыннның энергиясын тиімді қолдану үшін, ол туралы толық мәліметке ие болу керек. Метеостанциялар жел ағыны туралы беретін ақпарат ол үшін жеткіліксіз. Бастапқы мәліметтердің ақиқаттық шектерін, жел ағынының табиғи құрылымын ескеретін және т. б. мәліметтер қажет.

Жел энергетикасының негізгі сипаттамасы болып оның кадастры табылады, ол желдің энергетикалық құндылығын және жел энергетикалық қондырғыларының мүмкін жұмыс істеу уақытын анықтауға көмектесетін, желдің аэрологиялық және энергетикалық сипаттамаларының үйлесімі болып табылады.

Желдің кадастырлық сипаттамаларына жатқызуға болады:

а) орташа жылдық жылдамдық;

б) жылдық және тәуліктік жұмыс;

в) желдің градациялар бойынша қайталануы;

г) жел тұру жел болмау периодтарының ұзақтығы бойынша орналасуы;

д) максимал жылдамдығы;

е) жел ағынының орташа қуаты және энергиясы;

ж) аймақтың жел энергетикалық қорлары;

Бақылау жүргізілген уақыт аралығында жел ағынының құрлымы келесі шамалармен сипатталады:

а) желдің орташа жылдамдығы;

б) желдің жойқындылығы;

в) желдің озгеруі;

г) ауытқу ұзақтығы - жел жылдамдығының орта мәнінен жоғарлауы немесе төмендеуі.

Желдің орташа жылдамдығы - бақылау жүргізілген уақыттың бірдей интервалдарында болған қысқа мерзімді жел жылдамдықтарының арифметикалық ортасы болып табылады:

, (1)

мұндағы - желдің орташа жылдамдығы;

- қысқа мерзімді жел жылдамдығы;

n - қысқа мерзімді бақылаулар саны;

Желдің жойқындығы ауытқудың тереңдігін сипаттайды - жел жылдамдықтарының жоғарлау болып табылады және шектік, орта және орташа квадраттық мәндерімен беріледі:

, (2)

мұндағы - бақылау жүргізілген уақыт ішіндегі жел жылдамдығының ең үлкен немесе ең кіші мәні.

; (3)

. (4)

Желдің өзгеруі жел ағынының өзгеру жылдамдығы болып табылады және жел жылдамдығының ең үлкен және орта мәндерімен беріледі:

, (5)

мұндағы -қысқа мерзімді бақылау интервалының ұзақтығы;

(6)

Жел жылдамдығының уақытқа қатысты өзгеруін сандық бағалау үшін вариация коэффициенті қолданылады (ол кейбір шетелдік әдебиеттерде 2-10 мин уақыт аралығындағы мәні «турбуленттік дәрежесі» деп беріледі), келесі формуламен есептеледі:

, (7)

мұндағы -орташа квадраттық ауытқу;

- желдің орташа жылдамдығы;

Жел ағының аэрологиялық сипаттамалары, желдің энергетикалық кадастырын құрастырғанда негізгі мәліметтер болып табылады, олар көп жағдайда гидромет қызмет станцияларында жел жылдамдығын бақылау нәтижелерінен анықталады. Ондай мәліметтер метеостанциялық айлықтарда көрсетіледі [7] .

Жел ағыныны сипаттамаларының дұрыстығы бақылаулардың ұзақтығына және алғы шарттардың санына тәуелді. Көп жағдайларда гидромет қызмет станцияларында әр 3 сағат сайын жел жылдамдығының өзгеруін күніне 8 рет байқап отырады. Осы бақылаудың нәтижелері бойынша тәулік ішіндегі жел жылдамдығының орташа мәнін анықтайды. Желдің орташа тәліктік жылдамдығы бойынша желдің орташа айлық жылдамдығы және орташа жылдық жылдамдығы анықталады.

Желдің ұзақ уақыт ішіндегі орташа жылдамдығы туралы мәлімет желдің жалпы интенсивтігін сипаттайтын бастапқы ақпарат болып табылады.

Желдің көп жылдық орташа жылдамдығы жел энергетикасының тиімділігінің бір критериі болып табылады. Алғашқы болжағанда оның мәні бойынша сол немесе басқа аймақта жел қондырғыларын мүмкіндіктерін айтуға болады.

Метеостанциялар беретін мәліметтер белгілі бір жер бедеріне және жер бетімен салыстырғанда белгілі бір биіктікке сәйкестендіріліп алынатынын ескеру қажет. Желдің орташа жылдамдығы туралы мәліметтер нақтырақ болу үшін оларды салыстырмалы шарттарға келтіріп түзету қажет. Салыстырмалы шарттарға сәйкес көп жылдық желдің орташа жылдамдығы k ₀ - аймақтың ашықтық коэффициенті және k _h -биіктік коэффициенті арқылы түзетіледі. Келесі формуламен есептелінеді [8] :

(8)

мұндағы - салыстырмалы шарттарға сәйкес түзетілген желдің көп жылдық орташа жылдамдығы.

Желдің жылдамдығы, жоғарыда келтірілген формуладан, аймақтың ашықтығына және биіктікке тәуелді. Аймақтың ашықтық дәрежесі туралы мәлімет мемлекеттік гидрометеорология комитетінен алуға болады. Биіктік пен жел жылдамдығының арассындағы байланыс, [12] сәйкес келесідей анықталады:

, (9)

мұндағы - биіктіктегі желдің жылдамдығы; - биіктікте белгілі желдің жылдамдығы; - жел жылдамдығы нөлге тең биіктік.

Кейбір әдебиеттерде бұл тәулелділікті келесідей формуламен көрсетеді [13] :

, (10)

мұндағы х-белгілі бір аймаққа сәйкес келетін дәреже көрсеткіші.

Қазақстан республикасының метеостанцияларында жел жылдамдығы стандарттық әдіске сәйкес жер бетінен 10м биіктікте өлшенеді.

Жел энергетикалық есептерді Көкшетау қаласының төңірегінде орналасқан Wizard III тіркеу құрылңысының және осы қаланың мәліметтері бойынша жүргіземіз. Теориялық жағынан стационар процестің ықтималдық сипаттамаларын алу үшін бір орындалу барысында байқауды Т→∞ интервалында жүргізу қажет. Т ұзақтығын қатаң белгілеу үшін анықталатын үлестіру заңына сәйкес дисперсияның мүмкін мәнін, сондай-ақ, зертелетін процесстің статистикалық сипаттамаларын білу қажет.

Төмен жиілікті процесстердің анализі үшін таңдаудың ұзақтыңын келесі өрнекпен анықтауға болады [9] :

, (11)

мұндағы

Т - берілеген деңгейдегі анализ ұзақтығы;

N - бақылаулар саны;

Т ₀ - бақылаулар арасындағы интервал;

δ - есптеуде мүкін қателік;

F ₁ (x) - оқиғаның ықтималдығы;

Бақылаулар арасындағы интервал Т ₀ -ді таңдау келесі өрнекке сәйкес жүзеге асады Т ₀ >Т _{m. k} - кореляцияның максимал мәні. F ₁ (x) ықтималдығының өте аз мәні қызықтырған жағдайда, Т ₀ >Т _{m. k} шартын қанағаттандыру үшін Т ₀

интервалын үлкен қылып таңдамау керек, өтпеген жағдайда анализ тым созылып кетеді.

Сандық мәндері Т ₀ =3сағ , F ₁ (x) =0, 5, δ=0, 01 болғанда (11) формулаға сәйкес таңдаудың ұзақтығын анықтайық. Осы жағдайда қажетті бақылаулар саны N =2000 болады.

Желді 3 сағат сайын байқаудан алған желдің орташа жылдамдығы туралы мәліметтерді қолданатын болсақ таңдау ұзақтығы Т = N /248=8 жыл болар еді. Ол үшін бізге 8 жылдық желдің айлық орташа жылдамдығын білу керек болар еді [13] . Бұл жағдайда қиындық туғызатын жайт - метеостанцияларда жел жылдамдығы туралы мәлімет тек 3 жылдан артық сақталмайды.

... жалғасы

Ветролов жел электр генераторы

Жаңғыртылмайтын энергия көздері

ЖЭС қуат беру сұлбасы бойынша принципиалды шешімдер жасау

Қатты жел жағдайында өртті сөндіру ерекшеліктері

Жел жылдамдығы және генератордың айналу жылдамдығы

КӨЛІК ЖҮЙЕСІНЕ ӘСЕР ЕТЕТІН ФАКТОРЛАР

Кейбір астрофизикалық құбылыстарды динамикалық хаос теориясы әдісімен сипаттау

Геотермалды энергия көздері

Қазақстанның ауыл шаруашылығының ЖІӨ

Жел энергиясы

• Іс жүргізу
• Автоматтандыру, Техника
• Алғашқы әскери дайындық
• Астрономия
• Ауыл шаруашылығы
• Банк ісі
• Бизнесті бағалау
• Биология
• Бухгалтерлік іс
• Валеология
• Ветеринария
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Дін
• Ет, сүт, шарап өнімдері
• Жалпы тарих
• Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
• Журналистика
• Информатика
• Кеден ісі
• Маркетинг
• Математика, Геометрия
• Медицина
• Мемлекеттік басқару
• Менеджмент
• Мұнай, Газ
• Мұрағат ісі
• Мәдениеттану
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
• Педагогика
• Полиграфия
• Психология
• Салық
• Саясаттану
• Сақтандыру
• Сертификаттау, стандарттау
• Социология, Демография
• Спорт
• Статистика
• Тілтану, Филология
• Тарихи тұлғалар
• Тау-кен ісі
• Транспорт
• Туризм
• Физика
• Философия
• Халықаралық қатынастар
• Химия
• Экология, Қоршаған ортаны қорғау
• Экономика
• Экономикалық география
• Электротехника
• Қазақстан тарихы
• Қаржы
• Құрылыс
• Құқық, Криминалистика
• Әдебиет
• Өнер, музыка
• Өнеркәсіп, Өндіріс